Le développement des lasers de fortes puissances réalisé au cours des dix dernières années a ouvert de nouveaux champs de recherche dans de nombreux domaines tels que la production de faisceaux de particules chargées. Lors de l'interaction d'un faisceau laser avec une cible, il est en effet possible de générer un faisceau d'ions ou d'électrons d'une large gamme énergétique dépendant de la puissance du laser et de la nature de la cible.Les physiciens qui étudient les interactions laser-matière montrent un grand intérêt à pouvoir réaliser des expériences avec une cible d'hydrogène pure de l'ordre d'une dizaine de micromètres d'épaisseur. Lors d'une telle interaction, un faisceau constitué uniquement de protons accélérés est produit. La protonthérapie est l'une des applications phares qui utilise les propriétés particulières des protons accélérés pour détruire des tumeurs cancéreuses. Cette technique, plus légère et moins coûteuse, pourrait remplacer dans les années à venir les gros accélérateurs de particules, situés en sous-sol des hôpitaux. Les travaux menés durant cette thèse ont permis de développer un moyen d'obtenir et de caractériser de telles cibles, et ce en utilisant un nouveau procédé d'extrusion.L'extrusion d'hydrogène solide requiert des fortes pressions (100 à 400 bar) et des basses températures (inférieures à 13 K). Les fortes pressions sont obtenues à l'aide des propriétés thermodynamiques du fluide. Dans un premier temps, de l'hydrogène est introduit puis solidifié dans la cellule expérimentale jusqu'à remplir celle-ci. La cellule est alors fermée et chauffée en partie haute afin de liquéfier l'hydrogène qui s'y trouve. La dilatation qui résulte du changement de phase, génère une pression sur l'hydrogène solide qui est situé sous le liquide. Cette pression permet d'obtenir la force nécessaire à l'extrusion qui est réalisée au travers d'une buse se situant à l'extrémité basse de la cellule. La principale différence avec un procédé classique d'extrusion est l'absence de parties mobiles.Des premiers rubans d'hydrogène d'une largeur de 1 mm et d'une épaisseur de 100 µm ont été obtenus et ont donné lieu à publication en mars 2014. Une évolution de la cellule et du cryostat a ensuite été réalisée dans le but d'atteindre des épaisseurs de rubans plus faibles (25 et 50 µm).Une buse cylindrique d'un diamètre de 140 µm a également permis d'obtenir de longs cylindres d'hydrogène solide et de comprendre le comportement de l'écoulement dans des géométries simples. En parallèle, de nombreuses simulations numériques ont été réalisées dans le but de caractériser ce comportement. Un modèle dédié a ainsi été établi, pour lequel les résultats expérimentaux et les simulations sont en bon accord.Un algorithme de mesure de vitesses d'écoulement, basé sur le suivi de défauts présents dans le film d'hydrogène a également été développé. Celui-ci est basé sur une technique d'inter-corrélation d'images. L'épaisseur du ruban est également obtenue par analyse d'images acquises. Ces résultats sont en adéquation avec la mesure du débit d'hydrogène pompé, réalisée en aval du cryostat.De nombreux laseristes ont alors manifesté leur intérêt autour de ce nouveau procédé et une collaboration a été mise en place avec l'équipe du laser PALS, à Prague, dans le but d'installer une nouvelle version du cryostat, capable de se fixer sur la chambre à vide de leur laser. Cette équipe, qui sera la première à tirer sur des cibles d'hydrogène solide courant novembre 2015, souhaite valider certaines théories et accélérer des protons en utilisant le principe de la TNSA (Target Normal Shealth Acceleration). Les laseristes du LULI (situés à Palaiseau, en France) sont également intéressés pour utiliser de telles cibles et une installation sur leur chambre laser a été planifiée au mois de janvier 2016. En parallèle, des physiciens de l'Institut Lumière Matière du CNRS de Lyon souhaitent également utiliser ces cibles pour générer des rayons X-UV. / The development of very high power lasers in the latest decade opened up new horizons in a various field, such as the production of accelerated ion beams. When a laser beam interacts with a target, the generated beam can contain energetic ions or electrons with a large energy spectrum (1–200 MeV). This energy distribution depends on the laser power and the nature of the target.Physicists studying the interaction between laser and materials are really interested in having very thin (10 µm) ribbons of solid hydrogen that could be used as a target. Indeed, during the interaction between a laser and such a target, a pure proton beam can be created. Protontherapy is one of the main potential applications which uses the special properties of accelerated protons to destroy cancerous tumor. This technique, lighter and cheaper, could replace in the next years huge particle accelerators situated underground the equipped hospitals. This PhD thesis was about developing a way to get and characterize such ribbons, using a new extrusion process.Extrusion of solid hydrogen requires a high pressure (10 MPa to 40 MPa) and a low temperature (below 13K). This is achieved by using the thermodynamic properties of the fluid. First, the cell is filled in with solid H2, then closed. Afterward, the upper part is heated to liquefy the solid. The expansion, resulting from the phase change creates a pressure on the solid hydrogen, located below the liquid. The extrusion is realized through a micron-sized hole at the bottom of the cell. The main difference with a classic extrusion process is the absence of moving parts.First solid hydrogen ribbons (1mm large and 100 microns of thickness) have been obtained in March 2014, leading to an article in a peer review (laser and particle beams (2014) 32,569-575, Continuous production of a thin ribbon of solid hydrogen). The use of a 50 micron nozzle was satisfying but it showed the limitation in the design of the cell, leading to an upgraded one, which will enable to extrude thinner ribbons.A cylindrical nozzle (140 microns diameter) has also been used to obtain long cylinders of solid hydrogen and to be able to understand the solid hydrogen flow in simple geometries. In parallel, several numerical simulations have been carried out to establish the flow behavior of solid hydrogen during the extrusion process. An “home made” model has been developed for which experimental results and numerical calculations fit quite well for different nozzles' geometries.Using small ribbon defaults as velocity tracers, cross-correlation algorithm has also been developed to measure the velocity during the extrusion process. The ribbon thickness is also extracted from image analysis. These results are also correlated by flowmeter measurements and appeared to be accurate.Several laser teams have shown a great interest for these results and a collaboration contract has been signed with the laser PALS team (Prague) to install an updated version of this cryostat, able to be plugged in their vacuum chamber. The team wants to shoot the solid hydrogen target to understand the laser/matter interaction and accelerate proton through the TNSA (Target Normal Sheath Acceleration) principle. It will be the first time such target will be shot. The installation of the cryostat is scheduled by the end of august and the first experiments are planned during november 2015. LULI's laser team at Palaiseau in France is also interested in using these targets and is planning to shoot them in January 2016. In parallel, CNRS physicists of the ILM (Institut Lumière Matière de Lyon) would like to use these targets to generate X-UV radiation.

Cette étude expérimentale concerne la caractérisation des faisceaux d'électrons et de protons d'énergie supérieure à quelques MeV produits lors de l'interaction d'un laser ultra-intense (~10^19 W.cm-2) avec une cible solide de faible épaisseur (10 µm). <br />Ce travail se place dans la perspective de l'utilisation de ces faisceaux pour des expériences de physique nucléaire. Pour cet usage, il est nécessaire de connaître quantitativement les caractéristiques des faisceaux de particules : distribution en énergie, distribution angulaire.<br />Les faisceaux obtenus par accélération laser ont des caractéristiques très différentes des faisceaux d'accélérateurs conventionnels entre autres de par leur brièveté et leur intensité mais aussi par leur distribution en énergie continue. Ces propriétés rendent complexes leur caractérisation et nous ont amenés à développer des méthodes combinant spectromètres à diodes, films radiochromiques, activation nucléaire de matériaux choisis et simulations Monte-Carlo.<br />Ces méthodes ont été utilisées sur deux installations lasers différentes (Salle Jaune au LOA de Palaiseau et JETI à l'IOQ de Jena) mais de caractéristiques proches pour l'étude des faisceaux d'électrons en fonction du matériau-cible. Une expérience a également été menée pour caractériser tir à tir le faisceau de protons produits par le laser 100 TW du LULI (Palaiseau). Cette dernière expérience a, de plus, permis de démontrer la possibilité d'induire des réactions nucléaires dans un plasma et de mesurer quantitativement le taux de réaction en vue d'une expérience de perturbation du couplage noyau-cortège électronique par un champ électromagnétique fort dû au laser.

Le grand collisionneur d'hadrons (LHC) a commencé les opérations de faisceau de protons le 10 septembre 2008. Respectant le programme prévu pour les prochaines années, le LHC devrait démontrer ou réfuter l'existence du boson de Higgs de façon réaliste d'ici 2014. Après cette date il est raisonnable de prévoir l'amélioration de la luminosité de la machine pour explorer en détail la physique des événements rares.<br />Le présent travail de thèse propose différentes idées pour augmenter la luminosité des expériences ATLAS et CMS, les deux principales expériences du programme scientifique du LHC. Une idée pour l'amélioration de l'acceptance de l'expérience TOTEM est aussi présentée. <br />L'ensemble des aimants qui réalisent la focalisation finale du faisceau avant la collision ont été pris en considération pour augmenter la luminosité dans les zones expérimentales. Les nouvelles configurations ont été étudiées en utilisant des méthodes d'optique des accélérateurs et de dynamique des faisceaux. L'intégration des solutions a été aussi explorée en analysant les énergies déposées dans les différents éléments et les tolérances des alignements. <br />Un nouveau schéma optique pour augmenter l'acceptance de l'expérience TOTEM utilisant les cristaux de silicium est aussi présenté. Les résultats attendus sont comparés avec les résultats actuels.<br />Les études ont été menées en utilisant des méthodes analytiques pour les considérations générales et des méthodes numériques pour l'optimisation des paramètres.<br />Les résultats présentés dans cette thèse ont été publiés et présentés dans différentes conférences et workshops internationaux.

L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine. / The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS.

L'AGS fournit un faisceau de proton polarisé à RHIC. Le faisceau est accéléré dans l'AGS de Gγ = 4.5 à Gγ = 45.5 et la transmission de la polarisation est critique pour le programme de spin de RHIC. Au cours des dernières années, divers systèmes ont été mis en œuvre pour améliorer la transmission de la polarisation dans l'AGS. Ces améliorations consistent essentiellement en l'introduction de deux serpents Siberien partiels et du system de saut de nombre d'onde. Cependant, la transmission de la polarisation n'atteint pas encore 100 % durant le cycle d'accélération de l'AGS. L'efficacité actelle de la transmission de la polarisation est estimée à environ 85 % dans les conditions de fonctionnement typiques. Comprendre les sources de dépolarisation dans l'AGS est essentiel pour améliorer les performances en protons polarisés de la machine. La dynamique complexe de faisceau et de spin, notamment en présence des aimaint spécialisés appelé serpent Sibériens, justifient le fort intérÃa t pour des méthodes de simulation originales. Le code Zgoubi, capable de résoudre l'équation du mouvement et de l'évolution du spin directement à partir d'une carte de champs, est utilisé pour modéliser l'AGS. Un modèle de l'AGS utilisant le code Zgoubi a pout cette reaison été développé et interfacé avec le système actuel par une simple commande: l'AgsFromSnapRampCmd. L'interfa ̧age avec le système de contrôle de la machine permet la modélisation rapide en utilisant les paramètres de réels la machine. Ces développements ont permis de reproduire fidèlement l'optique de l'AGS le long du cycle d'accéleration. Des développements supplémentaires sur le code Zgoubi, ainsi que sur des outils de post-traitement et de pré-traitement, ont fourni au code la possibilité de suivre les faisceaux sur de nombreux tours, ce qui s'avère être fondamental pour une représentation realiste du cycle d'accélération complet de la machine. Des simulations de faisceaux sur de nombreux tours dans l'AGS, en utilisant des conditions réalistes de faisceau et de machine, ont fourni une unique vision des les mécanismes sous-jacents de l'évolution de l'émittance et de la polarisation du faisceau au cours du cycle d'accélération. Des programmes de post-traitement ont été développés pour permettre la représentation des quantités pertinentes des données simulées par Zgoubi.Les simulations se sont avérées particulièrement utiles pour mieux comprendre les pertes de polarisation à travers résonances horizontales intrinsèques de spin. Le modèle Zgoubi ainsi que les outils développés ont également été utilisées pour certaines applications directes. Par exemple, les simulations d'expériences de faisceau ont permis l'estimation précise des gains de polarisation attendus en fonction des changements apportés. En particulier, des simulations d'expériences impliquant le système de saut des nombres d'onde ont fournis des estimations précises de la polarisation gagné et permis le choix des conditions optimales de la machine. / The AGS provides a polarized proton beam to RHIC. The beam is accelerated in the AGS from Gγ = 4.5 to Gγ = 45.5 and the polarization transmission is critical to the RHIC spin program. In the recent years, various systems were implemented to improve the AGS polarization transmission. These upgrades include the double partial snakes configuration and the tune jumps system. However, 100 % polarization transmission through the AGS acceleration cycle is not yet reached. The current efficiency of the polarization transmission is estimated to be around 85 % in typical running conditions. Understanding the sources of depolarization in the AGS is critical to improve the AGS polarized proton performances. The complexity of beam and spin dynamics, which is in part due to the specialized Siberian snake magnets, drove a strong interest for original methods of simulations. For that, the Zgoubi code, capable of direct particle and spin tracking through field maps, was here used to model the AGS. A model of the AGS using the Zgoubi code was developed and interfaced with the current system through a simple command: the AgsFromSnapRampCmd. Interfacing with the machine control system allows for fast modelization using actual machine parameters. Those developments allowed the model to realistically reproduce the optics of the AGS along the acceleration ramp. Additional developments on the Zgoubi code, as well as on post-processing and pre-processing tools, granted long term multiturn beam tracking capabilities: the tracking of realistic beams along the complete AGS acceleration cycle. Beam multiturn tracking simulations in the AGS, using realistic beam and machine parameters, provided a unique insight into the mechanisms behind the evolution of the beam emittance and polarization during the acceleration cycle. Post-processing softwares were developed to allow the representation of the relevant quantities from the Zgoubi simulations data. The Zgoubi simulations proved particularly useful to better understand the polarization losses through horizontal intrinsic spin resonances The Zgoubi model as well as the tools developed were also used for some direct applications. For instance, some beam experiment simulations allowed an accurate estimation of the expected polarization gains from machine changes. In particular, the simulations that involved involved the tune jumps system provided an accurate estimation of polarization gains and the optimum settings that would improve the performance of the AGS.