Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages B. S. Paradkar1 , G. Maynard1, B. Cros1 A. Chancé2, P. Mora3 M. Grech4, K. Riconda4 1LPGP, ORSAY 2SACM/LEDA, Saclay 3CPHT, X-Palaiseau 4LULI, X-Palaiseau

Plan Projet CILEX Physique et modélisation de l’ALP Résultats étage accélérateur Travaux en cours sur injecteur Conclusions

11 laboratoires (200 personnes) X:LULI, LLR, CPhT; UPS:LAL, LPGP, LUMAT; IOGS:LCFIO, CEA: IRAMIS/SPAM, IRFU/SACM; ENSTA: LOA; SOLEIL 15 M€ (équipement) + 5 M€ (fonctionnement) (2011-2019) Roscoff octobre 2013

Apollon et ses centrales de proximité : un ensemble unique d’installations laser IRAMIS/SPAM/UHI100, 2,5 J, 100 TW, 25 fs UPS/LUMAT/LASERIX 10J, 35 fs ENSTA/LOA : Salle Jaune 2 x 60 TW, 30 fs X/LULI : ELFIE, multi-faisceaux 100 J 100fs -> ns Apollon 10P : 10 PW + 1 PW + sonde + long (ns) Roscoff octobre 2013

APOLLON sera implanté sur le site ALS de l’Orme des merisiers (CEA-Saclay) 3 salles radio-protégées: Salle laser Salle longue focale Salle courte focale 1500 m2 F1: Faisceau 10PW : 150 J, 15 fs – 10 ps, 400 mm F2 : Faisceau 1PW : 15 J, 15 – 200 fs, 140 mm F3 : Faisceau ns: 300 J max, 1 ns, 140 mm. F4 : Faisceau sonde: 250 mJ < 20 fs, 100 mm

4 thématiques principales sont développées dans le cadre du CILEX L’accélération d’électrons Laser-Plasma (100 GeV) B. Cros Sources de rayonnement EUV, X, Gamma. Ph. Zeitoun, F. Quéré Accélérations ions (100 MeV) J. Fuchs Physique des champs forts (1024 W/cm2), A. Di-Piazza Roscoff octobre 2013

3 phases de développements pour l’accélération électrons 2013-2015 : travaux expérimentaux et de modélisation préparatoires à l’aménagement salle longue focale 2015-2016 : premiers tests accélération électron configuration simple 2016-2017 : démarrage de l’étude expérimentale d’un accélérateur 2 étages Roscoff octobre 2013

L’accélération à plusieurs étages doit permettre d’atteindre de très grandes énergies Contraintes pour un étage : L’injection d’électrons doit être limitée à une faible zone (affiche Rémi Lehe) Longueur de Rayleigh -> guidage -> faiblement non-linéaire Longueur de déplétion -> l’intensité laser dépend de z Longueur de déphasage -> le paquet d’électrons ne reste pas dans la position optimale Le gain en énergie dépend de la densité Roscoff octobre 2013

Quelques ordres de grandeur de paramètres physiques Roscoff octobre 2013

Modélisation ALP : problème multi-échelles spatial et temporel dans un espace à 7 dimensions VLASOV 6D+t CHAMP E.M. MAXWELL. 3D+t. ELECTRONS. Densité de charges et de courants Roscoff octobre 2013

Méthodes numériques et modèles physiques doivent être optimisés pour les domaines traités Vlasov -> PIC HPC fenêtre glissante ‘ Boosted Frame‘ (WARP, J.L. Vay) Physique Réduire dimensionnalité (R-Z, R-Z-exp(im)) (Calder-circ) Séparation HF(laser), BF(enveloppe, plasma) Faiblement non-linéaire (pas de piégeage) Approximation quasi-statique -> WAKE (P.Mora, T.M.Antonsen : PoP 4 (1997) -> étage accélérateur Roscoff octobre 2013

Modélisation d’un étage accélérateur laser-plasma dans un tube capillaire Haute énergie -> basses densités -> grandes longueurs ( 1m) Guidage du laser par réflexion à la surface d’un tube diélectrique : relative simplicité de mise en œuvre jusqu’à  1m guidage efficace à basse densité Démonstrations expérimentales (10 cm) sur plusieurs installations (B. Cros)

Simulations numériques WAKE-EP (B. Paradkar, PoP 20, 2013) Géométrie 2D-RZ, approximation quasi-statique pour laser, plasma froid Traitement spécifique des électrons injectés (PIC). L’effet de charge d’espace du faisceau ‘beam loading’ est inclus). Conditions aux frontières à la paroi du diélectrique Ionisation du gaz Temps de calcul  0,1 h CPU/cm

WAKE-EP permet de réaliser des études paramétriques Laser pulse (λ0 = 0.8 μm) : Intensité : 2 − 4 ×1018 W/cm2 Waist, W0 : 60 − 240 μm durée (FWHM) :15 − 132 fs Puissances : 0.1 − 2.5 PW Plasma dans tube capillaire: Densité = 1017 cm-3 longueur de-phasage ~ 100 cm P~ 100 μm Paquet d’électrons injectés: Paquet Gaussien (temps et espace) (50 MeV, 10 fs, 10 μm) Distribution en énergie des électrons -> A. Chancé Tube capillaire: verre Couplage optimisé Rcap = 1.54 W0

La perte de charge augmente lorsqu’on se rapproche de la résonance La perte de charge est due au champ radial.

Le battement de modes induit une oscillation du champ transverse Battements modes 1-2 à la résonance : Champ accélérateur plus grand, mais champ transverse également plus grand -> perte importante résonant Non résonant Roscoff octobre 2013

Le battement de modes induit un état transitoire ayant un fort champ transverse -> pertes élevées Champ radial Champ longitudinal

La réduction de la durée laser et l’augmentation du waist, permet de réduire les pertes IL = 4 × 1018 W/cm2, Τ(FWHM) = 40 fs Période battement augmente avec le rayon du tube Saturation de l’accélération au-delà de la longueur de déphasage (~ 100 cm) > 80% de la charge injectée se retrouve en sortie Roscoff octobre 2013

Accélération > 10 GeV obtenue avec un faisceau large IL = 4 × 1018 W/cm2 , Τ (FWHM) = 40 fs Faisceau avec une faible dispersion en énergie(< 5%) est obtenue après 1,5 m d’accélération

Le couplage ligne de transport-accélérateur a été réalisé A. Chancé injecteur WAKE-EP Laser : a0 = 1.42 T(FWHM) = 40 fs W0 = 100 μm densité= 1017 cm-3 Ligne de Transport = 1 m Importance de l’optimisation de l’injecteur.

Injecteur : code PIC 3D (R-Z- exp(im)) Plusieurs schémas possibles. Dans le cadre de CILEX, injection par ionisation en utilisant un mélange de gaz Collaboration J.L. Vay utilisation de la suite de codes WARP Développement dans le cadre de CILEX d’un code PIC ouvert SMILEI Roscoff octobre 2013

Conclusions I L’accélération laser-plasma à 2 étages est un projet phare du CILEX Les performances attendues du laser Apollon ouvre la voie à des énergies > 10 GeV à l’horizon 2017-2020 La modélisation est un enjeu majeur pour pouvoir optimiser la configuration expérimentale Cette modélisation est développée dans un cadre ouvert, associant des compétences complémentaires Elle s’appuie sur une bibliothèque de modules gérés par une sur-couche logiciel, pour s’adapter aux problèmes posés Roscoff octobre 2013

Conclusions II WAKE-EP opérationnel. Il a été optimisé pour l’étage accélérateur, plusieurs benchmarks avec d’autres codes sont en cours Les résultats montrent que le guidage par capillaire permet d’atteindre des énergies > 10 GeV L’influence de champs transverses dé-focalisants doit être analysée en détails Le couplage ligne de transport-accélérateur est opérationnel Prochaine étape : modélisation injecteur : WARP ….SMILEI et couplage avec ligne de transport Importance de l’investissement dans HPC Roscoff octobre 2013

The radial loss of electrons is preceded by transverse modulations in the laser intensity profile . Oscillations in amax due to beating of vacuum modes Resonant pulse: Higher mean energy of accelerated beam More loss of charge Resonant pulse Non resonant Mode beating causes modulations in the transverse intensity profile of the laser.

Comparison between capillary tube and gas cell Laser : a0 = 1.42 , τ (FWHM) = 40fs, Waist = 240 μm Plasma density = 1017 cm-3