Contrôle des paramètres dans un accélérateur laser-plasma 1J. Faure, 1C. Rechatin, 1Olle Lundh, 2A. Ben Ismail, 1J. Lim, 2A. Specka, 2H. Videau, 3X. Davoine, 3E. Lefebvre, 4A. Lifschitz, 1V. Malka 1LOA, Ecole Polytechnique 2LLR, Ecole Polytechnique 3CEA, DAM, DIF Bruyères-le-Châtel, Arpajon 4LPGP, Université Paris XI,

Motivations Développer des sources d’électrons compactes et de bonne qualité Forts gradients: 100 GeV/m Faible dispersion en énergie (dE/E < qques pourcents) Faible émittance (qques p mm.mrad) Propriétés particulières de la source Faible durée de bunch (qques fs) Petite taille de source (qques microns) Développer des applications innovantes exploitant ces propriétés Faible taille de source: radiographie de la matière dense Fort gradient: radiothérapie avec électrons à 200 MeV Faible durée, fort courant: source X femtoseconde (synchrotron, LEL)

Accélération laser-plasma Simulation PIC 3D de la structure Accélératrice*: Ez >100 GV /m Schéma de principe laser électrons 100 MeV en 1 mm jet de gaz * Courtesy E. Lefebvre, CEA

Structure accélératrice: onde plasma non linéaire Pulse a0=2 I=8×1018 W/cm2 lp≈ 10 mm Densité électronique Avantages: Champ Ez plus important 100 GV/m Champs Er linéaires zone accélératrice et focalisante plus importante accélérateur décélérateur Ez focalisant défocalisant Er

Le défi de l’injection des électrons lp ~ 10 µm Lpaquet > lp Lpaquet < lp z-ct dne z-ct dne Différentes phases Différents champs électriques 100 % d’étalement en énergie Electrons « en phase » Faisceaux monoénergétiques Requiert Lpaquet < 100 fs Challenge pour la technologie RF  Il faut injecter un faisceaux de particules sub-100 fs

Espace des phases (pz, z-vpt) Electrons avec initial pz > 0 peuvent être accélérés Faisceau d’électrons: volume dans l’espace des phases conservé pendant l’accélération  Faible volume d’injection requis Défis sur le volume d’injection taille micrométrique durée femtoseconde synchronisée à la fs avec le laser 

Injection par collision de 2 lasers Onde plasma Principe: Faisceau pompe électrons Faisceau d’injection Force pondéromotrice du battement: Fp ~ 2a0a1/λ0 y Le battement accélère localement les électrons et les injecte dans l’onde plasma y L’INJECTION est locale et très courte (30 fs)  faisceaux monoénergétiques E. Esarey et al, PRL 79, 2682 (1997), Fubiani, PRE 2004

Concept d’accélération en 2 étapes 2 (a0a1)1/2 polarisations circulaires Battement Modulations d’intensité à l0/2 Onde plasma lp

Montage expérimental Faisceau d’injection 130 mJ, 30 fs ffwhm=28× 23 µm I ~ 4×1017 W/cm2 Faisceau pompe 670 mJ, 30 fs, ffwhm=21×18 µm I ~ 4×1018 W/cm2

Faisceaux monoénergétiques Paramètres E = 203 MeV Q = 15 pC dE < 8 MeV dE/E < 4 % q = 4.5 mrad Peu d’électrons à basse énergie, dE/E=5% limité par le spectromètre à électrons J. Faure et al, Nature 2006

Fluctuations Fluctuations RMS faisceau d’électrons: E = 206 MeV +/- 5 % dE = 14 MeV +/- 21 % Q = 13 pC +/- 38 % Fluctuations RMS laser: Intensité: 3.5×1018 W/cm2 +/- 17 % Pointé de faisceau: 8 mm

Contrôle de l’énergie du faisceau Zinj=225 μm Zinj=125 μm Zinj=25 μm Zinj=-75 μm Zinj=-175 μm Zinj=-275 μm Zinj=-375 μm 50 100 200 300 400 Energy (MeV) pompe injection fin du jet 190 MeV in 700 mm  Ez ≈ 270 GV/m pompe injection milieu du jet pompe injection début du jet

Contrôle de la charge et de dE/E La charge peut être contrôlée En modifiant le chauffage pendant la collision En modifiant l’intensité du laser d’injection, on peut modifier le chauffage: Ebatt ~ 2(a0a1)1/2 dE/E suit également les variations de la charge

Réglage de la charge avec le faisceau d’injection SPECTRES TYPIQUES COMPORTEMENT MOYEN En pratique, la charge et dE/E sont corrélés Contrôle de la charge  étude du beam loading C. Rechatin et al, PRL 2009

dE/E=1 % mesuré Collaboration LOA / LLR (A. Ben Ismail, A. Specka, H. Videau)

Limite (charge) de l’accélération dans un plasma beam loading (saturation onde plasma) Image 1D Le faisceau d’électron génère un champ décelérateur Diminue l’énergie du faisceau Limite sur la charge piégée (quand Ez=0) Impact sur la qualité de faisceau, dE/E

Impact du beam loading sur E et dE/E (trop) Forte charge Ez inversé Energie plus faible Large dE/E + pics et plateau Charge optimale Ez plat Energie plus faible dE/E minime (très) Faible charge Ez croissant Large dE/E Observer des corrélation entre: Charge et E Charge et dE/E

Expérience: corrélation charge / energie forte charge = énergie plus basse Ezbunch=1.6 GV/m/pC  Observation du beam loading ?  Simulations PIC 3D confirment que la diminution de la coupure haute énergie est due au beam loading C. Rechatin et al., accepté à Phys. Rev. Lett.

Corrélation charge, dE/E La charge optimale semble être vers 20 pC Possibilité d’estimer la durée du paquet* ≈ 2 fs Possibilité d’estimer le courant crête ≈ 10 kA *C. Rechatin et al, soumis à New J. Phys.

Conclusions / Résumé Les accélérateurs laser-plasma: production de faisceaux de bonne qualité Energie 10-200 MeV, dizaines pC, dE/E de qques pourcents Contrôle de l’injection: Démontré dans la collision de deux impulsions laser Essentiel pour (i) stabilité (ii) contrôle des paramètres (iii) qualité accrue Beam loading est une sévère limitation sur la charge (mais selon la théorie 200 pC et dE/E < 1 % est possible) Essentiel pour optimiser dE/E (contrôle de l’injection) Loi d’échelle pour le régime onde plasma non linéaire (W. Lu PRSTAB 2007) 15 J, 50 fs  2.5 GeV La source peut être utilisée pour des applications Petite taille de source: radiographie, radiothérapie (expériences au LOA) Développement d’une source X ultra-brève (LEL, en cours d’étude)

Suppléments

Radiographie gamma haute résolution En collaboration avec L. Le-Dain, S. Darbon from CEA Mourainvilier and DAM Y. Glinec et al., Phys. Rev. Lett. 94, 025003 (2005)

Intérêt pour la radiothérapie Simulations Monte-Carlo du dépôt de dose ELECTRONS 200 MeV Réponse des cellules à un rayonnement femtoseconde ? Radiolyse de l’eau femtoseconde… Glinec et al., Med. Phys. 33, 155 (2006); Fuchs et al, Med. Phys. 54 3315 (2009)

Nouvelles sources X femtosecondes Source bêtatron (Rousse et al, PRL 2004) 1-10 keV Collimatée (10 mrad) Micrométrique Ultra-brève (<100 fs) X-ray de haute énergie: y laser/42 Rétro-diffusion Thomson (Schworer, PRL 2006) X-ray cohérents: y und/22 Laser à électrons libres

LINAC pour les lasers à électrons libres Paramètres Acceptables Avantageux Difficiles

Que faut-il améliorer ? Tout !! La charge Essayer d’autres solutions d’injection (gradients de densité) Optimiser l’injection par battement (durée d’impulsion, longueur d’onde) Plus gros laser La qualité de faisceau dE/E: maîtrise de la charge et du beam loading dE/E: augmenter l’énergie (Guidage) Émittance: commencer par la mesurer ! L’énergie Guidage Plus gros lasers Points durs: La fréquence de répétition (techno laser) L’efficacité à la prise (techno laser) La stabilité

Lois d’échelles Lu et al, PRSTAB 2007