Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Faisceaux d'électrons à haute charge“

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans le cadre d'une collaboration CIFRE entre Thales-MIS et le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). L'objectif principal est d'améliorer le courant moyen des accélérateurs laser-plasma à faible énergie, notamment dans la gamme de quelques MeV. Cette avancée revêt un intérêt particulier pour les applications à faible énergie telles que la tomographie industrielle par rayons X, ne nécessitant pas de faisceaux d'électrons monoénergétiques.Des expériences ont été menées au moyen du système laser de 60 TW installé dans la Salle Jaune du LOA, capable de générer des impulsions de 30 fs. À travers une exploration minutieuse des densités de plasma, des énergies laser, des cibles gazeuses et des degrés de focalisation, nous avons identifié les conditions propices à la production de faisceaux d'électrons hautement divergents (i.e., >100 mrad) de quelques MeV, avec des charges variant de 5 à 30 nC. Nous avons également atteint une efficacité maximale de conversion d'énergie laser-électron d'environ 14 %, parmi les plus élevées jamais mesurées. En envisageant les futurs systèmes laser capables d'atteindre des puissances moyennes d'environ 100 W, ces configurations pourraient ouvrir la voie à la réalisation de faisceaux d'électrons accélérés par laser-plasma, avec des courants moyens dépassant 1 microampère, surpassant ainsi l'état de l'art actuel des accélérateurs laser-plasma. Pour mener à bien ces expériences novatrices, nous avons conçu une buse supersonique en verre et des dipôles magnétiques permanents permettant de dévier les électrons vers des écrans scintillants pour effectuer la spectrométrie des faisceaux produits. Parallèlement aux expériences, cette thèse a également approfondi les simulations Particle-In-Cell (PIC) pour étudier les mécanismes d'accélération. Grâce à un outil numérique spécifiquement développé pour traiter les résultats des simulations PIC, nous avons démontré que la force pondéromotrice du laser joue un rôle prépondérant dans l'accélération des électrons. Notamment, la majorité des particules ne sont pas injectées dans les ondes du plasma, mais glissent plutôt sur l'impulsion laser, acquérant ainsi une faible énergie de l'ordre de quelques MeV
This doctoral thesis is part of a CIFRE collaboration between Thales-MIS and the Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA). The main objective is to enhance the average current of low-energy laser-plasma accelerators, particularly in the range of a few MeV. This advancement is particularly interesting for low-energy applications such as industrial X-ray tomography, which does not require monoenergetic electron beams.Experiments were conducted using the 60,TW laser system installed in the Salle Jaune at LOA, capable of generating 30 fs pulses. Through meticulous exploration of plasma densities, laser energies, gas targets, and focusing degrees, we identified conditions conducive to producing highly divergent electron beams (i.e., >100 mrad) at energies of a few MeV, with charges ranging from 5 to 30 nC. We also achieved a maximum laser-to-electron energy conversion efficiency of approximately 14 %, one of the highest ever measured. Looking ahead to future laser systems capable of achieving average powers of around 100 W, these configurations could pave the way for generating laser-plasma accelerated electron beams with average currents exceeding 1 microampere, surpassing the current state of the art in laser-plasma accelerators. To facilitate these innovative experiments, we designed a supersonic glass nozzle and permanent magnetic dipoles to deflect electrons towards scintillating screens for beam spectroscopy. Concurrently with the experiments, this thesis also delved into Particle-In-Cell (PIC) simulations to study acceleration mechanisms. Using a dedicated numerical tool for processing PIC simulation results, we demonstrated that the ponderomotive force of the laser plays a predominant role in electron acceleration. Notably, the majority of particles are not injected into plasma waves but rather slide along the laser pulse, thereby gaining low energies on the order of a few MeV

L'objet de cette thèse est la caractérisation d'une source d'électrons uniques subnanoseconde réalisée à partir d'une boîte quantique dans un gaz bidimensionnel d'électrons. Nous avons tout d'abord mis en évidence la quantication du courant alternatif moyen en unités de 2ef, où f est la fréquence d'excitation de la source, lorsque la tension appliquée compense l'énergie d'addition de la boîte. Cette quantication correspond à l'injection d'un unique électron et d'un unique trou par période du signal excitateur, au début de chaque alternance. Le temps de sortie des charges, mesuré expérimentalement, est contrôlé par la transmission de la barrière tunnel entre la boîte et le réservoir. Nous avons ensuite construit un dispositif cryogénique original de mesure de bruit haute fréquence extrêmement sensible et très stable, qui nous a permis de mesurer le bruit de la source d'électrons uniques. Nos résultats sont en très bon accord avec deux modèles théoriques que nous avons développés. Le premier est un modèle de diusion que nous avons adapté à l'étude de notre source, permettant l'étude numérique du bruit en fonction d'un grand nombre de paramètres. Le second est un modèle heuristique simple, permettant de mieux comprendre les origines physiques du bruit observé. Nous avons ainsi identié un régime de bruit de grenaille, lorsque la charge émise par demi-période est très petite devant 1. À l'inverse, lorsque la charge émise par demi-période est proche de 1, le modèle prédit un régime de bruit de phase correspondant à l'incertitude quantique sur l'instant de sortie des charges. L'accord observé avec les mesures conrme l'émission de charges uniques par notre source dans certains régimes. Celle-ci sera ensuite utilisée pour réaliser des expériences similaires à celles de l'optique quantique avec des électrons uniques.

La présente étude est dédiée à la compréhension des mécanismes de malaxage intervenant lors du soudage de matériaux dissimilaires par des sources de haute énergie et en particulier sur deux couples de matériaux présentant des problèmes métallurgiques différents : * cuivre - inox (lacune de miscibilité, différence de propriétés thermophysiques),* TA6V- inox (oxydation, formation de phases intermétalliques fragilisant la soudure).Pour le premier couple de matériaux, le soudage par laser Nd:YAG continu et par faisceau d'électrons a été utilisé. L'étude des évolutions de la morphologie des soudures, de la composition et de la microstructure des zones fondues ainsi que des propriétés mécaniques a permis de proposer des hypothèses sur les mécanismes de formation du mélange hétérogène à solubilité limitée. Afin de quantifier les phénomènes physiques intervenant en soudage continu de matériaux dissimilaires, la modélisation numérique a été mise en œuvre en utilisant le logiciel FEM "Comsol Multiphysics". Une série des modèles simulant les champs de températures, les mouvements convectifs et le malaxage (diffusion, méthode level set, méthode des champs de phases) a été créée. Dans le cas du laser, la formulation pseudo-stationnaire du transfert de chaleur basée sur la géométrie du capillaire simplifiée et la convection a été couplée avec les problèmes 2D de diffusion et de malaxage des matériaux dans différents plans horizontaux. En soudage par faisceau d'électrons, la morphologie de la microstructure a nécessité une formulation temporelle. Le modèle multiphysique final en couplage complet (solution multiphysique simultanée) reproduit le processus de formation d'une structure périodique de solidification lors du soudage par faisceau d'électrons et permet d'expliquer l'aspect des structures alternées entre matériaux immiscibles ou présentant de grandes différences de propriétés thermophysiques.Le deuxième couple de matériaux présente des problèmes métallurgiques majeurs liés à la formation des phases intermétalliques rendant l'assemblage direct par fusion impossible. La composition locale devient donc l'aspect-clef de la formation d'une soudure correcte : l'introduction d'un troisième matériau (cuivre) ayant une meilleure compatibilité avec le titane est nécessaire. Pour pouvoir déterminer les fenêtres optimales des conditions opératoires, les modèles numériques, créés précédemment, ont été adaptés pour quatre procédés de l'assemblage : faisceau d'électrons, soudage lasers Nd:YAG continu et pulsé, brasage par laser avec apport de fil. L'analyse élémentaire des microstructures dans les soudures résistantes mécaniquement a permis de développer le scénario de la solidification d'une zone fondue et de comprendre l'influence de la composition aux interfaces sur la résistance mécanique des assemblages.Les modèles numériques multiphysiques créés au cours de cette étude permettent l'accès rapide à la grande quantité d'information sur le comportement de la zone fondue en fonction des paramètres de soudage en se basant sur le nombre des données de départ relativement limité et sur quelques hypothèses simplificatrices. L'approche multiphysique à la modélisation de soudage permet de reproduire la forme de la zone fondue, visualiser les écoulements du liquide et cartographier la distribution de certains éléments avec une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux. L'ensemble des modèles permet de déterminer les conditions opératoires répondant aux critères fixes en fonction de la métallurgie d'un couple hétérogène.

Ce projet s’inscrit dans le cadre de Spiral2 et de DESIR. L’objectif est de réduire l’emittance des faisceaux de Spiral2 pour permettre a un séparateur haute-résolution d’en effectuer la purification. Ce refroidisseur consiste en une structure quadrupolaire ou les ions sont confines par des champs RF en opposition de phase a 100eV. De l’hélium est injecte dans le quadrupole et, a chaque collision, l’ion perdra de l’énergie et sera finalement refroidi. La principale problématique est la charge d’espace. Les appareils existants refroidissent des courants quelques 10nA quand nous aurons a faire face a des intensités du μA ce qui accroîtra la répulsion coulombienne entre les ions. Cela impose de produire de forts champs de confinement (≈ 1kV/mm). Nous avons travaille sur un premier prototype, ayant un rayon de 3mm. Le principal effort de R&D a porte sur la partie électronique. Un premier système, base sur un circuit résonant LC, a été développe permettant de fournir jusqu’a 2500Vpp. Dans ces conditions, nous avons vérifie que nous n’avions pas de décharges électriques entre nos électrodes. Nous avons réduit l’emittance des faisceaux a 2π. Mm. Mrad a 60keV et la dispersion en énergie longitudinale a 146meV. La transmission maximale en 23Na+ et en 87Rb+ est de 25% avec une source a ionisation de surface dont la qualité du faisceau est meilleure que celle de Spiral2. Nous avons concu un nouveau refroidisseur avec une acceptante de 80π. Mm. Mrad a 60keV. Il a un rayon interne plus grand (r0 ≈ 5 mm) et de nouveaux jeux d’electrodes à l’injection et à l’extraction. Les performances du système RF ont été améliorées pour atteindre des amplitudes de 7kVpp
This project is in the frame of Spiral2 and DESIR. The goal is to reduce beams emittance of Spiral2 beams to allow their purification with a high resolution separator. This cooler consists on a quadrupolar structure on which ions are confined by RF potential in opposite phase at 100eV. Helium is injected in the quadrupole and, after each collision, ion lose a part of its energy and is finally cooled. The main problem concerns the space charge. The existing devices cool current of few 10nA whereas we have to treat intensity around 1μA whose induce more coulombian repulsion between ions. That needs to produce strong RF fields (≈ 1kV/mm). We have worked on a first prototype with a 3mm-inner radius. The main R&D effort concerns the electronic part. A first RF system, based on a LC resonant circuit, has been developed and have provided up to 2500Vpp. We have checked that we didn’t have electrical breakdown between our electrodes. We have reduced beam emittance at a value around 2π. Mm. Mrad at 60keV and the longitudinal energy spread at 146meV. The maximum transmission in 23Na+ and 87Rb+ is 25% with an ionization source for which the beam quality is better than Spiral2. We have conceived a new cooler with an acceptance of 80 π. Mm. Mrad at 60keV. It has a larger inner radius (r0 ≈ 5 mm) and new sets of injection and extraction electrodes. The performances of the RF system have been improved to reach amplitudes up to 7kVpp

Au cours de cette étude, nous nous sommes intéressés à l'effet du bombardement électronique sur les matériaux diélectriques utilisés comme revêtement thermique des satellites. La présence de charge électrique en quantité importante est susceptible de déclencher des décharges électrostatiques qu'il est nécessaire d'appréhender. L'objectif de ce travail était de mieux comprendre les propriétés de stockage et de transport de charge des diélectriques, de prévoir les phénomènes de décharges électrostatiques de surface et de modéliser le comportement des matériaux. Le développement récent de techniques de mesure de charge d‘espace avec résolution spatiale a permis de compléter l'analyse des matériaux irradiés in-situ. Ainsi, un premier dispositif basé sur la technique Electro-Acoustique Pulsée (PEA) a été mis au point et implanté dans une enceinte d'irradiation. Dans le cadre de cette thèse, le premier objectif technique a été d'utiliser et de calibrer le système PEA court-circuit implanté dans le caisson d'irradiation SIRENE. Ce dispositif est représentatif de la condition chargeante (la moins critique) dans laquelle se trouvent les diélectriques de revêtement en orbite. Dans un deuxième temps il s'agissait de faire évoluer la configuration de mesure vers un système plus représentatif des états de charge (les plus critiques) pouvant aboutir aux décharges électrostatiques. Nous avons développé et calibré à cet effet un dispositif sans contact. Un des objectifs scientifiques complémentaires a été de comparer les données expérimentales avec celles issues d'un modèle de simulation basé sur le logiciel GEANT4. Les mesures PEA ont fourni les données de base nécessaires à la définition des valeurs des paramètres physiques manquants, permettant de décrire au mieux les mécanismes de conduction observés.

Cette thèse présente l'installation et la mise en œuvre d'un polarimètre à HERA. La présence de radiations synchrotron due à un changement de configuration de l'expérience HERMES, postérieure à notre installation sur le site de l'accélérateur HERA en 2003 à retardé de manière importante la mise en route du polarimètre. Nous avons mesuré le degré de polarisation circulaire du faisceau de photon laser Nd:YAG utilisé dans ce polarimètre. Nous avons obtenue -99. 9% (laser droit) et 99. 8% (laser gauche) à quelques pour milles près dans l’environnement extrêmement bruyant de l’accélérateur. Les mesures de la polarisation du faisceau de positron obtenues en 2006 sont les premières mesures de polarisation effectuées dans le mode quelques photons. Ce sont les mesures de polarisation les plus rapides et les plus précises statistiquement jamais effectuées à HERA.

La nécessité d'un accélérateur d'électrons à 100 % de cycle utile pour les besoins de la physique nucléaire, a conduit en 1981 le Service de l'Accélérateur Linéaire du CEN de Saclay, à étudier une machine utilisant l'accélérateur actuel associé à un anneau de lissage. La création de paquets d'électrons à la fréquence HF de l'anneau (600 MHz) amène à la conception d'un nouvel injecteur avec système de découpage de faisceau, constitué d'une cavité électromagnétique déflectrice associée à un collimateur. Une étude de quatre modes transverses magnétiques a conduit au choix d'un "hacheur" en cavité parallélépipédique fonctionnant au mode TM110. La construction d'un prototype et d'une cavité étanche, puis les mesures hyperfréquences associées ont permis de cerner différents problèmes mécaniques et de déterminer les propriétés électriques de la cavité. La ligne de faisceau, comprenant focalisation, bobines pour le décalage du balayage, découpage par un collimateur rectangulaire, a été étudiée, dans une première étape, pour un faisceau à courant nul, sur la base d'un modèle matriciel. Dans le but de mesurer les longueurs des paquets issus du découpage, une ligne expérimentale pour faisceau de 40 keV a été montée. Un système de mesure par capteur adapté à large bande, a été conçu. L'analyse spectrale du signal recueilli, a permis, par transformée de Fourier inverse, de reconstruire le signal dans le temps et de déterminer les caractéristiques du faisceau découpé. La dynamique du faisceau a été étudiée, avec un modèle de charge d'espace à trois dimensions qui a été implanté dans le code de calcul PARMELA. Les simulations ont montré qu'un faisceau de 150 keV, 2A, pouvait être découpé avec un système équivalent
The need of a 100 % duty cycle electron accelerator for use in nuclear physics, has led in 1981 the CEN Saclay Linear Accelerator Group, to study a machine using the existing linac associated with a pulse stretcher ring. The production of electron bunches at the ring RF frequency (600 MHz) requires the design of a new injector including a chopping beam system with a deflecting electromagnetic cavity and a collimator. A comparison between four transverse magnetic modes, led to choose a TM110 parallelepipedic chopper. The construction of a prototype and of a vacuum-tight cavity followed by microwave measurements has permitted to solve several mechanical problems and to specify the cavity electrical properties. In a first step1the beam line, including - focusing, offset deflection coils, chopping with a rectangular collimator - has been studied, for zero intensity beam current, on the basis of a matrix model. An experimental 40 keV beam line, has been assembled to measure the bunch length. The method was based on a spectral analysis of the signal delivered by a large band, 50 ohms adapted beam collector. The bunch shape in the time domain was reconstructed by inverse Fourier transform. The beam dynamics has been studied with a 3D space charge model which has been introduced into the PARMELA tracking code. Simulations showed that a 150 keV, 2A beam could be chopped with the same deflecting lay-out

Dans leurs usages courants comme isolants électriques, les matériaux solides organiques sont constitutifs aussi bien des câbles de transport d'énergie électrique, des circuits de commande et de conversion de puissance que des composants (micro)électroniques ou des systèmes embarqués (revêtement thermique des satellites, batteries d'accumulateurs...). La diversité des contraintes d'utilisation auxquelles ils sont soumis (champ électrique, rayonnement, température, humidité...) les prédisposent à emmagasiner des charges en leur sein, susceptibles d'affecter la fiabilité des systèmes qui en dépendent. L'un des moyens communément mis en œuvre pour étudier le comportement électrique de ces charges est la mesure de la distribution spatio-temporelle des charges d'espace, en soumettant le diélectrique à une différence de potentiel continue à travers deux électrodes. Cette méthode ne permet cependant pas toujours de distinguer clairement la contribution des charges dues à la génération, d'une part, et celles dues aux phénomènes de transport, d'autre part. Cette étude propose une approche alternative, consistant à déposer sous vide des charges (électrons) au sein de l'isolant par le biais d'un faisceau d'électrons, à une position connue et en quantité maîtrisée, en prenant en compte d'autres processus physiques liés à l'implantation d'électrons afin de prévoir et modéliser le comportement de ces matériaux irradiés. Des films de PolyEthylène basse densité (PEbd), préparés par thermomoulage, ont été irradiés par un faisceau d'électrons de 80 keV avec un flux de 1 nA/cm2. Les mesures de charge d'espace par la méthode Electro-Acoustique Pulsée (PEA), réalisées d'abord in-situ, puis ex-situ sous polarisation électrique DC, confirment une localisation effective de charges au sein du matériau. Les résultats sous polarisation électrique après irradiation mettent en évidence une importante présence de charges positives dans la zone irradiée du diélectrique. Les caractérisations électriques des films PEbd irradiés montrent un comportement complètement différent de celui d'un même matériau non-irradié, laissant penser à une modification de la structure chimique du matériau. Des mesures physico-chimiques (spectroscopie infra-rouge, Photoluminescence et Analyse Enthalpique Différentielle-DSC) sur ces films PEbd irradiés, ne montrent pas une dégradation significative de la structure chimique du diélectrique qui expliquerait le comportement électrique observé sous polarisation post-irradiation. Des mesures complémentaires montrent le comportement réversible du PEbd irradié puis polarisé, qui serait uniquement lié à la présence des charges générées par le faisceau. Les données expérimentales de cette étude ont parallèlement alimenté un modèle numérique de transport de charges, développé pour tenir compte des contraintes sous irradiation. Ce modèle a permis de reproduire les résultats d'implantation de charge par faisceau d'électrons in-situ ainsi que la majorité des processus électriques observés sur du PEbd irradié puis polarisé. Il confirme l'impact de la charge déposée par faisceau d'électrons sur le comportement sous polarisation et permet de conclure quant à l'origine des charges positives observées post-irradiation, qui seraient dues aussi bien aux phénomènes d'injection aux électrodes qu'à la création de paires électrons/trous par le faisceau d'électrons pendant l'irradiation
In their common uses as electrical insulators, organic solid materials are constitutive of electric power transmission cables, power control and conversion circuits as well as (micro) electronic components or embedded systems (thermal coating of satellites, batteries of accumulators, etc.). Under various constraints of use (electric field, radiation, temperature, humidity ...) they can accumulate charges in their bulk which could affect the reliability of the systems in which they are employed. One of the commonly used means to study the electrical behavior of these charges is to measure the spatiotemporal distribution of charges by subjecting the dielectrics to a continuous potential difference between two electrodes. However, this method does not always allow clearly distinguishing the contribution of charges due to generation on the one hand and the one due to transport phenomena on the other hand. This study proposes an alternative approach, consisting in generating charges (electrons) within the electrical insulation using an electron-beam under vacuum. The charges are hence deposited at a known position and in a controlled quantity. Other physical processes related to the implantation of electrons must then be taken into account in order to predict and model the behavior of these irradiated materials. Low-density polyethylene (LDPE) films, prepared by thermal molding, were irradiated by a 80 keV electron-beam with a current flux of 1 nA/cm2. Space charge measurements using the Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method, performed first in-situ and then ex-situ under DC electrical polarization, confirm an effective localization of charges within the material. The results under electrical polarization after irradiation show an important amount of positive charges in the irradiated zone of the dielectric. The electrical characterizations of irradiated LDPE films show a completely different behavior compared to the same non-irradiated material, suggesting a modification of the chemical structure of the material. Physico-chemical measurements (infrared spectroscopy, Photoluminescence and Differential Scanning Calorimetry-DSC) on these irradiated PEbd films do not show a significant degradation of the chemical structure of the dielectric which would explain the observed electrical behavior under post-irradiation polarization. Additional measurements show the reversible behavior of the irradiated then polarized PEbd, which would be only related to the presence of the charges generated by the beam. The experimental data of this study have simultaneously fed a numerical model of charge transport, developed to take into account the irradiation constraints. This model allows reproducing the in-situ results of charge implantation by the electron beam as well as the majority of the electrical processes observed on irradiated and polarized LDPE. It confirms the impact of the electron-beam deposited charge on the behavior under polarization and allows concluding on the origin of the positive charges observed after irradiation, which would be due to injection at the electrodes as well as to the creation of electron-hole pairs by the electron-beam during irradiation

L’étude de la dynamique d’un faisceau d’ions de haute intensité dans les lignes de basse énergie (LBE)représente l’un des défis majeurs de la science des accélérateurs. basse énergie, cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace induit par le faisceau lui-même, qui en général est non linéaire et peut entrainer des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Toutefois, un faisceau à basse énergie se propageant dans une LBE induit l’ionisation du gaz résiduel présent dans la chambre. Les particules (ions et électrons) issues de l’ionisation sont repoussées ou attirées radialement par le champ de charge d’espace en fonction du signe de leur charge. D’autres réactions physiques ont lieu dans la ligne basse énergie, jouant ainsi un rôle dans la dynamique du faisceau et sur l’établissement du temps et du taux de compensation de charge d’espace. Afin d’obtenir des résultats prédictifs et fiables quantitativement, des simulations de transport de faisceau en régime de compensation de charge d’espace avec le code de calcul warp ont été réalisées en prenant également compte les réactions physiques les plus probables. On discutera ensuite des résultats de ces simulations en lien avec ceux issus de différentes compagnes de mesure réalisées auprès des LBE des projets MYRRHA et IFMIF
The study of intense ion beam dynamics in lowenergy beam transport line (LEBT) representsone of the most important challenges inaccelerating sciences. At low energy, it isdominated by the space-charge field created bythe beam itself, which is generally non-linearand can induce halo, emittance growth and beamlosses. But, a ion beam at low energypropagating in a LEBT ionises the residual gas.The particles (ions and electrons) fromionisation are repelled or confined radially bythe space charge field according to their chargesign.Other interactions take place in the LEBT,modifying the beam dynamics and the space chargecompensation time and the space-chargecompensation yield. In order to obtain predictiveand precise results quantitatively, numericalsimulations of beam transport in space-chargecompensation regime with WARP code havebeen realized taking account the most probablephysical interactions. Then, we will discuss theresults with comparisons with experimental dataobtained on the MYRRHA and IFMIF LEBT’s

Cette thèse de doctorat présente le travail expérimental sur le développement d'un accélérateur laser-plasma à haut taux de répétition (kHz) utilisant des impulsions laser de quelques milijoules, et de durée proche du cycle optique. Nous explorons un large ensemble de paramètres expérimentaux pour optimiser l'accélérateur en contrôlant la densité et le profil plasma, la durée des impulsions, le type de gaz et le mécanisme d'injection utilisés dans les expériences. Nous démontrons une amélioration significative des performances, notamment avec d’importants progrès réalisés sur la stabilité et la fiabilité à long terme de l'accélérateur, avec un fonctionnement continu et stable de l'accélérateur pendant plusieurs heures accumulant un record de 18 millions de tirs consécutifs. Ce gain de stabilité est obtenu en utilisant un nouveau type de jet de gaz qui utilise un choc hydrodynamique oblique asymétrique permettant l'injection d’électrons dans le gradient de densité descendant de la région choquée. En utilisant des simulations particle-in-cell, les causes physiques menant à un régime d'accélération optimisé et stable sont établies. L'énergie typique du faisceau d'électrons a également été augmentée d'un facteur deux, jusqu'à 8 MeV, tandis que des divergences divergence mono-tir du faisceau d’électrons aussi faible que 3mrad sont obtenues en utilisant de l'hélium au lieu de l'azote pour créer le plasma. Nous présentons ensuite les résultats d'une première expérience d'application en radiobiologie où notre accélérateur est utilisé pour irradier des cellules cancéreuses, en profitant de la stabilité nouvellement acquise.Dans un second temps, nous étudions les spécificités de l'interaction des impulsions proche du cycle optique avec un plasma sous-dense se produisant dans notre accélérateur, principalement par l'effet de la phase enveloppe-porteuse (CEP). Nous observons et contrôlons expérimentalement pour la première fois les effets CEP dans un accélérateur laser-plasma, qui se manifestent par une dépendance du pointé du faisceau d'électrons à la phase optique initiale du laser. Des variations de charge significatives (jusqu'à 30%) lorsque l'on change la valeur du CEP sont également observées dans certains cas. En effectuant des simulations particle-in-cell, nous expliquons ces effets par une injection périodique hors axe de plusieurs sous-faisceaux d'électrons déclenchée par l'oscillation de l'asymétrie de l'onde plasma dans la direction de polarisation du laser due au glissement de la CEP pendant la propagation. Enfin, nous discutons de résultats préliminaires concernant les effets de la CEP sur le spectre d'énergie des électrons associés à l'injection d'ionisation dans un mélange de gaz hélium-argon
This PhD thesis presents experimental work on the development of a high-repetition rate (kHz) laser-wakefield accelerator using few millijoules, near-single cycle laser pulses. We explore a large set of experimental parameters to optimize the accelerator by controlling the plasma density and profile, pulse duration, type of gas and injection mechanism used in experiments. We demonstrate significant performances improvement, notably with progress made on the long-term stability and reliability of the accelerator with continuous and stable operation of the accelerator for several hours accumulating a record of 18 million consecutive shots. We achieve this gain in stability by using a newly designed type of gas target resulting in an asymmetric hydrodynamic oblique shock enabling injection in the downward density transition of the shock region. Using particle-in-cell simulations, we understand in details the underlying causes leading to an optimized and stable acceleration regime. The typical electron beam energy has also been increased by a factor of two, up to 8 MeV, while a single-shot beam divergence as low as 3mrad is achieved using helium instead of nitrogen to form the plasma. We then present the results of a first application experiment in radiobiology where our accelerator is used to irradiate cancerous cells, taking advantage of the newly acquired stability.Secondly, we study the specificity of the interaction of near-single cycle pulses with an underdense plasma that occurs in our accelerator, mainly through the effect of the carrier-envelope phase (CEP). We observe and control experimentally for the first time CEP effects in a laser-wakefield accelerator, that manifest through a dependence of the electron beam pointing to the laser initial optical phase. We also show significant (up to 30%) charge variations in some cases when changing the value of the CEP. By carrying out particle-in-cell simulations, we explain these effects by the periodic off-axis injection of several electron sub-bunches triggered by the oscillation of the asymmetry of the plasma wave in the laser polarization direction due to the CEP shifting during propagation. Finally, we discuss preliminary results on carrier-envelope phase effects on the electron energy spectrum associated with ionization injection in a helium-argon gas mixture