Un injecteur pour les accélérateurS laser- plasma multi-étages

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1 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

2 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP

3 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019 2004

4 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

5 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

6 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

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

8 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

9 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

10 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

11 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

12 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

13 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

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

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

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

17 2ème salle expérimentale pour étude de plasmas sous denses
Enceinte expérimentale Compresseur optique Miroir déformable Double miroir plasma S. Dobosz Dufrénoy oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

18 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 oct. 2013, Roscoff, Journées accelerateurs SFP 19 février 2019

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