Accélérateur laser – plasma Brigitte CROS LPGP-CNRS-Université Paris Sud 11 Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas Interaction et Transport de Faisceaux Intenses dans les Plasmas Journée thématique DAPNIA Accélérateurs, 9 janvier 2006

Plan de l’exposé Principe et performances attendues Projets en cours Onde de plasma Méthodes de création Propriétés pour l’accélération Projets en cours Perspectives

Pourquoi utiliser un plasma Champs accélérateurs > 100 GV/m n e +dn e E Champ de charge d’espace et onde de plasma n e = Zn i v f E Onde relativiste: Vitesse de phase de l’ordre de c x l p

Comment créer une onde de plasma Ion Impulsion laser Electron L=ct Force pondéromotrice Oscillation des électrons sur lp

Sillage non linéaire avec auto-injection The front of the laser pulse interacts with the plasma. As a result it loses energy (Local pump depletion) and etches back. The shape and size of the accelerating structure slightly change. Electrons are self-injected in the ion channel at the tail of the ion channel due to the accelerating and focusing fields. The trapped electrons slightly elongate the back of the spheroid. from Wei Lu talk, HEEAUP05

22 pC Courtesy: K. Krushelnick, RAL

Parameter designs for Gev,10Gev,100Gev,1Tev from Wei Lu, UCLA P(PW) τ (fs) np (cm-3) W0 (μm) L(m) a0 Δnc/np Q(nC) E(Gev) 0.12 30 2e18 15 0.009 4 0% 1.3 1.12 1.2 100 2e17 47 0.28 <20% 11.2 12 300 2e16 150 9 13 112 120 1000 2e15 470 280 40 1120 1 80 5e17 35 0.08 5.1 5.8 10 180 1.2e17 0.8 6.8 33 430 2.8e16 190 8 9.1 182 6.5e15 450 12.1 1012 0.1-1 Mega Joule >> Paramètres laser irréalistes pour 1 TeV…

Autre possibilité: régime linéaire

Sillage laser en régime linéaire Electron Density Propagation length 4.6 cm E field: 16 GV/m N.E. Andreev et al., Phys. Plasmas 9, 3999 (2002)

Gain d’énergie d’un électron dans une onde de plasma DW = e Ep La ~ 4mc2gf2 t1 t2 t3 v~c vf~c La < Ldeph = lp gf2 gf = lp / l0 DW prop ne-1 Ep prop ne1/2 La prop ne-3/2 ne 1017cm-3 1019cm-3 gf 100 10 La 1 m 1 mm DWmax 20 GeV 200 MeV

En régime linéaire il faut Injecter des électrons de l’extérieur Guider le laser pour créer un plasma long Contrôler la longueur du plasma pour obtenir un faisceau de bonne qualité

Schéma de principe Gain d’énergie: 1 GeV sur 10 cm pour 1J laser La = Ldeph Gain d’énergie: 1 GeV sur 10 cm pour 1J laser Injection d’un faisceau court pour améliorer Les caractéristiques spectrales Le nombre d’e- accélérés L’émittance transverse

Projets en cours

From W. Leemans talk

Mixed system:

Courtesy of K. Nakajima, ACFA Chair

Futur proche en Europe: EUROLEAP European Laser Electron controlled Acceleration in Plasmas to GeV energy range Projet européen accepté janvier 06, pour 3 ans 11 labos Européens pour construite un prototype d’accélérateur laser-plasma Energie de l’ordre du GeV, Largeur en énergie de l’ordre du 1%, Durée du paquet de l’ordre de 100 fs, Charge de l’ordre de 10 pC à 100 pC.

Perspectives

Feuille de route de l’accélération laser-plasma Injecteur Laser Cavités plasma 10 GeV – 1TeV ? 2020-20.. ? Injecteur optique 1 GeV 2008 Cavité plasma 100 MeV photo-injecteur Laser 2004 1 J 100 fs 800 nm

Etapes et défis Un accélérateur laser plasma de quelques GeV devrait être réalisable dans les 5 ans Outil de test de détecteurs et développement de diagnostics Injecteur pour source de rayonnement Collisioneur laser plasma? Résoudre les problèmes d’un accélérateur à nombreux étages (stabilité, qualité faisceau…) Résoudre les problèmes liés à l’efficacité du laser Constituer une collaboration ALP Arriver à une taille critique Réunir des compétences complémentaires