b. cros, journées accélérateurs 2011 1 accélérateurs laser-plasma: état de l’art et...

B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 1

Accélérateurs laser-plasma: état de l’art et perspectives

Accélérateurs laser-plasma: état de l’art et perspectives

Brigitte CrosLaboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas

CNRS-Université Paris Sud, Orsay


Plan de l’exposéPlan de l’exposé

Origines

Motivation

Mécanismes physiques

Etat de l’art international

Contribution des groupes français

Enjeux et perspectives


Les originesLes origines

Une idée et des instruments de pointeTajima et Dawson, Phys. Rev. Lett. 1979

Une onde de plasma est associée à de très forts gradients accélérateursConcept du sillage laser

Strickland et Mourou, Opt. Comm. 1985Concept de système laser en impulsions courte à dérive de fréquencesDes impulsions laser courtes et intenses sont disponibles à partir du début des années 1990

Le sillage laser est en plein développement


Les installations laser de classe 100TW dans le monde

Les installations laser de classe 100TW dans le monde

Plus de la moitié des groupes travaillent sur l’ALP


Motivations actuellesMotivations actuelles

Aller au-delà de la démonstration de principeLes accélérateurs laser plasma (ALP) sont des sources d’électrons et de rayonnement (THz, X, gamma)

compactes (1GeV, 3cm, 100m²)de très courte durée (10 fs)

Ils sont utilisables dans un environnement universitaire ou industriel : applications utilisateursIls ont un fort potentiel d’évolution

Optimisation des propriétés du faisceau dans la gamme 100MeV -1GeVContrôle du rayonnement généréEtude de faisabilité d’un accélérateur à haute énergie (multi-étages)


Sillage laser: régime « linéaire »Sillage laser: régime « linéaire »

Structure accélératrice sinusoïdale: λp~ 50 µm

Champ accélérateur: 1-100 GV/m

Il faut injecter des électrons de l’extérieur du plasma

e

ee

ndncmn

mGVE2/1

17

3

10)(

30)/(


Sillage laser: régime non linéaireSillage laser: régime non linéaire

Evolution NL de l’impulsion laser: compression et auto-focalisation

Expulsion des électrons: création d’une bulle

Auto-injection des électrons à l’arrière de la bulle par les champs accélérateurs et focalisants

Les électrons injectés modifient l’arrière de la bulle (beam loading)

Génération de rayonnement synchrotron si oscillation transverse

Wei Lu talk, HEEAUP05 – UCLA & IST


Gain d’énergie d’un électronGain d’énergie d’un électron

ΔW = e Ep L

Longueur d’accélération déterminée parDéphasage des électrons qui entrent dans une phase déccélératrice: Ldeph 1/ np

3/2

Amortissement de l’énergie laser: Lam 1/ (a0² np3/2)

Optimum pour Ldeph~Lam et a0~1

ΔW 1/np

Pour augmenter le gain d’énergie il faut une basse densité

une grande longueur d’interaction


Questions de fond pour les ALPQuestions de fond pour les ALP

Comment augmenter la longueur d’accélération?

Comment injecter des électrons dans la structure accélératrice de façon précise et contrôlée?

Enjeu: permettre de contrôler les propriétés du faisceau accélérer

Les réponses dépendent du régime d’accélération et des caractéristiques souhaitées pour le faisceau d’électrons


Performance des ALP (énergie)Performance des ALP (énergie)

Les lasers actuels de puissance <100TW permettent d’obtenir un faisceau avec une énergie de l’ordre du GeV après 3 cm

40TW longueur 3 cm dans un canal de plasmaDivergence 1.6mrad (rms)

Leemans et al. Nature Physics 2, 696 (2006) Berkeley+guidage Oxford

L = 33 mm, diam 190µmr spot (1/e²) = 25 µmLaser LBNL 40fs, 1.6J

12 TW, ne = 3.5 1018 cm-3

0.5 GeV, 50pC, dE/E = +/- 5%

40 TW, ne = 4.3 1018 cm-3

1 GeV, 30 pC, dE/E = +/- 2.5%


Test de schéma d’injection contrôlée par ionisation

Test de schéma d’injection contrôlée par ionisation

Laser 40TW, ne=3x1018cm-3

Impuretés (0.5% Azote) dans l’injecteur:

Ionisation au maximum de l’impulsion laser permet de contrôler le moment de création des électrons

Accélérateur de plus basse densité (Helium):

Permet d’accélérer les électrons sur une plus grande longueur dans l’accélérateur car la longueur de déphasage est plus grande

Pollock et al., Phys Rev. Lett 2011 (LLNL)

3 mm 5 mm


Contrôle de l’injection par collision de faisceaux (LOA)Contrôle de l’injection par

collision de faisceaux (LOA)

Stabilisation du mécanisme d’injection

Contrôle de l’énergie

C. Rechatin et al., Phys. Rev. Lett. (2009)

J. Faure et al., Nature (2006)


ALP en régime linéaire (LPGP)ALP en régime linéaire (LPGP)

Guidage du laser par des tubes capillaires

Création d’un champ accélérateur (1-10 GV/m) sur une grande longueur

Mesure par diagnostic optique

Tube capillaire D 100 µm, L = 8 cm, rempli d’hydrogèneLaser 1017 W/cm2 - 4 TW

Laser

entrée

Lasersortie

Andreev et al. New J. Phys. 12 (2010) 045024.

Wojda et al. Phys. Rev. E 80, 066403 (2009)


Les enjeux pour le futur des ALPLes enjeux pour le futur des ALP

Améliorer les systèmes laser utilisés:Qualité de faisceau, fiabilité , stabilité

Puissance moyenne (10Hz à 10kHz)

Développer les schémas d’injection externe pour augmenter l’énergie et la qualité du faisceau dans des plasmas de faible densité:

Injecteurs optiques

Injecteurs RF

Tester l’accélération multi-étages pour pallier à l’amortissement du laser et au déphasage des électrons (10 GeV max par étage)


Concept de collisioneur laser plasma (groupe de W. Leemans)Concept de collisioneur laser

plasma (groupe de W. Leemans)


Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

Les ALP produisent actuellement des faisceaux d’électrons de très courte durée (<10fs), jusqu’à 1 GeV, dE/E~2.5% rms

Le guidage et l’augmentation de l’énergie laser permettront d’atteindre ~10 GeV en un seul étage (ex: projet laser APOLLON 10 PW en France)

Le renforcement de la coordination est cours Européen (EURONNAC)

International (ICFA)

Vers la définition d’une installation ALP internationale?

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