Un injecteur pour les accélérateurS laser- plasma multi-étages S. Dobosz Dufrénoy, M. Quinn, M. Bougeard, P. Monot, F. Desforges, T. Audet, B. Cros J.R. Marquès SPAM CEA-Saclay LPGP Univ. Paris Sud Ecole Polytechnique 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP CEA | 10 AVRIL 2012

Plan Motivations Un injecteur pour l’accélération multi-étages – Projet ELISA - paramètres du faisceau d’électrons - l’injecteur - l’installation expérimentale pour les futures expériences Conclusion 19 février 2019 S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP

L’accélérateur laser-plasma Création d’une onde de plasma Très fort champ accélérateur (100GV/m) Piégeage des électrons et accélération En presque 20 ans , on est passé de 1MeV Maxwellien à 2 GeV quasi-monocinétique! Régime de la bulle électrons proches piégés et accélérés laser e- S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019 2004

Propriétés des sources électroniques - électrons énergies élevées : 2 GeV -compact : le GeV sur 3cm - accordable (énergie) - stable (injection – milieu - ….) - courte durée (fs) Nat. Comm juin 2013 Nature Physics 2006 Nature 2006 2011 PRL 2008 S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Pour aller vers les plus hautes énergies … Lois d’échelle (régime de la bulle) Longueur de déphasage Ldp[cm] ~ (P[TW])1/6 (1018 cm-3 / Ne)4/3 Gain d’énergie max Wmax[GeV] ~ 0.36 (P[TW])1/4 (Ldp[cm])1/2 A.N.: Wmax = 1GeV avec laser de classe 100TW, sur ~1cm, dans Ne~1.5X1018cm-3 MAIS source primaire d’électrons piéger suffisamment d’électrons maintenir l’onde de plasma sur grande longueur guider le laser S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Schémas d’accélération laser-plasma à 2 étages 1ère étape : schéma 2-étages / 1 seul faisceau laser injecteur accélérateur laser électrons Régime très non linéaire Onde de plasma en régime linéaire 1ère démo. exp (2 jets de gaz): En cellule (1 seul faisceau laser): D. Kaganovich, PoP (2005) B.B. Pollock, PRL 2011 S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Schéma à 2 étages complètement découplés accélérateur injecteur laser électrons électrons laser Sur Appolon-10P 10PW 150J/15fs S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

ELectron Injector for compact Staged high energy Accelerator ELISA 1ère étape: source d’électrons stable, controlable comme « injecteur » Contraintes de la source d’électrons pour une injection localisée temporellement et spatialement dans un 2ème étage : - électrons relativistes (qq 10’s de MeV…) - reproductible Stabilité de pointé de la source d’électrons émittance permettant de focaliser sur 10µm environ durée inférieure à 10fs Cellule à longueur variable + injection par ionisation S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Réalisation – Cellule à longueur variable Pour insérer une image : Menu « Insertion  / Image » ou Cliquer sur l’icône de la zone image Réalisation – Cellule à longueur variable laser + S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Agir sur l’injection pour contrôler les paramètres du faisceau but: réduire la divergence en énergie du faisceau d’électrons Injection induite par l’ionisation = Ajout d’impuretés qui vont être ionisées (et fournir une population d’électrons aux propriétés ad hoc) au max de l’intensité laser - Théorie et étude paramétrique numérique des propriétés du faisceau d’électrons M. Chen et al., POP, 2012 S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Injection par ionisation Large distribution transverse des électrons issus de l’injection par ionisation Simulations PIC M. Chen et al., POP, 2012 S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Optimisation de la source d’électrons M. Chen et al., POP, 2012 Réduire la dispersion en énergie du faisceau d’électrons en jouant sur: longueur du milieu (localise spatio-temporellement l’injection) taux d’impuretés (attention au « Beam loading »!) caractéristique de l’impulsion laser (conditionne la phase des électrons au moment de l’ionisation) Région d’intérêt (qq % d’impuretés) S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Injection par ionisation dans capilllaire Pour insérer une image : Menu « Insertion  / Image » ou Cliquer sur l’icône de la zone image Injection par ionisation dans capilllaire Gaz (H2 ou H2/1%Ar ou H2/1%N2) Electrons Laser 40TW – 35fs (stabilisation active du pointé laser) qq mm Imax Choix des impuretés S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Résultats expérimentaux (1/2) H2+1%N2 H2 Pseuil(H2+1%N2)<Pseuil(H2)  Injection par ionisation S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Résultats expérimentaux (2/2) Q (H2+1%N2) > Q (H2) S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

ELISA sur l’installation UHI100 (CEA-Saclay) Ti:Sa 100TW, 25fs 10Hz S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

2ème salle expérimentale pour étude de plasmas sous denses Enceinte expérimentale Compresseur optique Miroir déformable Double miroir plasma S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Conclusions Court terme Injecteur conçu, assemblé Test de remplissage et de caractérisation de la densité (LPGP - en cours) Poster: Thomas Audet Mise en place sur UHI100 pour étude paramétrique (paramètres faisceau d’électrons en fonction des paramètres laser/plasma) Moyen terme Tests sur UHI100 d’une ligne de transport permettant de coupler l’injecteur à l’accélérateur Projet DACTOMUS (Présentation Antoine Chancé) A très très long terme ……. S. Dobosz Dufrénoy 13-16 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

Le futur …..collisionneur électrons-positrons « laser plasma » (PW laser) Courtesy W. Leemans - LBNL 19 février 2019