Reproductibilité de faisceaux d'électrons générés par accélération sillage laser dans des tubes capillaires F. G. Desforges 1, M. Hansson 2, J. Ju 1, L.

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1 Reproductibilité de faisceaux d'électrons générés par accélération sillage laser dans des tubes capillaires F. G. Desforges 1, M. Hansson 2, J. Ju 1, L. Senje 2, S. Dobosz-Dufrénoy 3, A. Persson 2, T. L. Audet 1, O. Lundh 2, C.-G. Wahlström 2 and B. Cros 1. 1 Laboratoire de Physique des Gaz et Plasmas, CNRS-Université Paris-Sud, France 2 Department of Physics, Lund University, Sweden 3 Service des Photons, Atomes et Molécules, CEA Saclay, France

2 Quantifier la reproductibilité des faisceaux délectrons générés/accélérés par sillage laser dans des tubes capillaires, Objectifs du Travail 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013

3 Quantifier la reproductibilité des faisceaux délectrons générés/accélérés par sillage laser dans des tubes capillaires, Identifier les sources de fluctuations des propriétés des électrons, Objectifs du Travail 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013

4 Quantifier la reproductibilité des faisceaux délectrons générés/accélérés par sillage laser dans des tubes capillaires, Identifier les sources de fluctuations des propriétés des électrons, Etudier le rayonnement X bêtatron associé. Objectifs du Travail 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013

5 Quantifier la reproductibilité des faisceaux délectrons générés/accélérés par sillage laser dans des tubes capillaires, Identifier les sources de fluctuations des propriétés des électrons, Etudier le rayonnement X bêtatron associé. Objectifs du Travail 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Objectif LONG TERME : Développer une source laser-plasma stable de faisceaux délectrons.

6 Plan de lExposé 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Injection & Accélération délectrons du plasma par sillage laser

7 Plan de lExposé 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Injection & Accélération délectrons du plasma par sillage laser Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire

8 Plan de lExposé 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Injection & Accélération délectrons du plasma par sillage laser Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire Expériences au LLC: Stabilité Electrons Relation Laser / Electron

9 Injection & Accélération délectrons du plasma par sillage laser Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire Expériences au LLC: Stabilité Electrons Relation Laser / Electron Plan de lExposé 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013

10 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 W. Lu et al., Physical Review Special Topics – Accelerators and beams 10, 061301 (2007) Injection & Accélération des Electrons LASER

11 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 W. Lu et al., Physical Review Special Topics – Accelerators and beams 10, 061301 (2007) LASER Injection & Accélération des Electrons Compression et Auto- focalisation de limpulsion,

12 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 W. Lu et al., Physical Review Special Topics – Accelerators and beams 10, 061301 (2007) LASER Injection & Accélération des Electrons Compression et Auto- focalisation de limpulsion, Expulsion des e - : création dune bulle composée dions,

13 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 W. Lu et al., Physical Review Special Topics – Accelerators and beams 10, 061301 (2007) Injection & Accélération des Electrons Compression et Auto- focalisation de limpulsion, Expulsion des e - : création dune bulle composée dions, Electrons auto-injectés à larrière de la bulle par le champ accélérateur focalisant,

14 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 W. Lu et al., Physical Review Special Topics – Accelerators and beams 10, 061301 (2007) Injection & Accélération des Electrons Compression et Auto- focalisation de limpulsion, Expulsion des e - : création dune bulle composée dions, Electrons auto-injectés à larrière de la bulle par le champ accélérateur focalisant, Beam loading : Larrière de la bulle est modifiée par linjection délectrons, stoppant linjection.

15 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire

16 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Entrée Laser Sortie Laser Guide Laser Fentes dentrée de gaz Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire

17 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire Entrée Laser Sortie Laser Guide Laser Fentes dentrée de gaz Paramètres du capillaire : Diamètre interne : 76 - 254 µm, Longueur : 8 - 30 mm, Gaz : H 2 avec / sans impuretés (Ar, N 2 ), Pression réservoir : 100-500 mbar avec contrôle de la densité.

18 Paramètres du capillaire : Diamètre interne : 76 - 254 µm, Longueur : 8 - 30 mm, Gaz : H 2 avec / sans impuretés (Ar, N 2 ), Pression réservoir : 100-500 mbar avec contrôle de la densité. 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Contrôle de linjection, effets de linteraction laser-plasma sur de longues distances, … Guide Laser & Confinement du Gaz : Tube Capillaire Entrée Laser Sortie Laser Guide Laser Fentes dentrée de gaz

19 Campagne Expérimentale au Lund Laser Centre (LLC) 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Expériences sur linstallation Laser du Lund Laser Centre (Suède) en Décembre 2012 / Janvier 2013,

20 Campagne Expérimentale au Lund Laser Centre (LLC) 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Expériences sur linstallation Laser du Lund Laser Centre (Suède) en Décembre 2012 / Janvier 2013, Propriétés Laser Longueur donde λ0,8 μm Energie E avant compresseur 1,3 J au foyer sous vide 0,8 J Durée dimpulsion τ40 fs Puissance sur cible P18 TW Waist w 0 17 μm Longueur focale f0,76 m Intensité I3,6.10 18 W/cm 2

21 Campagne Expérimentale au Lund Laser Centre (LLC) 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Expériences sur linstallation Laser du Lund Laser Centre (Suède) en Décembre 2012 / Janvier 2013, Laser contrôlé en pointé (φ 4 µrad), Propriétés Laser Longueur donde λ0,8 μm Energie E avant compresseur 1,3 J au foyer sous vide 0,8 J Durée dimpulsion τ40 fs Puissance sur cible P18 TW Waist w 0 17 μm Longueur focale f0,76 m Intensité I3,6.10 18 W/cm 2

22 Campagne Expérimentale au Lund Laser Centre (LLC) 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Expériences sur linstallation Laser du Lund Laser Centre (Suède) en Décembre 2012 / Janvier 2013, Laser contrôlé en pointé (φ 4 µrad), Capillaire : 178 µm, 10 mm, Propriétés Laser Longueur donde λ0,8 μm Energie E avant compresseur 1,3 J au foyer sous vide 0,8 J Durée dimpulsion τ40 fs Puissance sur cible P18 TW Waist w 0 17 μm Longueur focale f0,76 m Intensité I3,6.10 18 W/cm 2

23 Campagne Expérimentale au Lund Laser Centre (LLC) 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Expériences sur linstallation Laser du Lund Laser Centre (Suède) en Décembre 2012 / Janvier 2013, Laser contrôlé en pointé (φ 4 µrad), Capillaire : 178 µm, 10 mm, Densité électronique de H 2 : (10 ± 2) x 10 18 cm -3. Propriétés Laser Longueur donde λ0,8 μm Energie E avant compresseur 1,3 J au foyer sous vide 0,8 J Durée dimpulsion τ40 fs Puissance sur cible P18 TW Waist w 0 17 μm Longueur focale f0,76 m Intensité I3,6.10 18 W/cm 2

24 Dispositif Expérimental 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013

25 Dispositif Expérimental 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013

26 Dispositif Expérimental 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Stabilité laser de 2% en énergie et durée dimpulsion

27 Caractérisation des Faisceaux dElectrons 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide 8,5 mm 100 tirs consécutifs, électrons à chaque tir, Image typique du LANEX :

28 Caractérisation des Faisceaux dElectrons 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide 8,5 mm Propriétés analysées : -Q tot, -Q(E), -Q(θ), -, -E max, -θ(E), -. Propriétés analysées : -Q tot, -Q(E), -Q(θ), -, -E max, -θ(E), -. 100 tirs consécutifs, électrons à chaque tir, Image typique du LANEX :

29 Stabilité de la Charge / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide 8,5 mm GraphE (MeV)Q (a) > 4066 pC ± 11 % 40 - 458 pC ± 25 % (b)45 - 5512 pC ± 23 % (c)55 - 10033 pC ± 12 % (d)> 10013 pC ± 23 %

30 Stabilité de la Charge / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide 8,5 mm Diminution de la charge totale, Modification de la répartition des charges en énergie. GraphE (MeV)Q (a) > 4066 pC ± 11 % 40 - 458 pC ± 25 % (b)45 - 5512 pC ± 23 % (c)55 - 10033 pC ± 12 % (d)> 10013 pC ± 23 % 45 – 55 MeV 40 – 45 MeV 55 – 100 MeV > 100 MeV > 40 MeV

31 Stabilité de la Charge / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide 8,5 mm Diminution de la charge totale, Modification de la répartition des charges en énergie. GraphE (MeV)Q (a) > 4066 pC ± 11 % 40 - 458 pC ± 25 % (b)45 - 5512 pC ± 23 % (c)55 - 10033 pC ± 12 % (d)> 10013 pC ± 23 % 45 – 55 MeV 40 – 45 MeV 55 – 100 MeV > 100 MeV > 40 MeV Conclusion : Un contrôle précis de lénergie laser est nécessaire. Conclusion : Un contrôle précis de lénergie laser est nécessaire. Diminution énergie laser de 10%

32 Stabilité en Energie / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide = 65 MeV +/- 9% E max = 120 MeV +/- 10%

33 Stabilité de la Divergence / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide

34 Stabilité de la Divergence / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide

35 Stabilité de la Divergence / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide = 9 mrad +/- 14 %, Diminution de la divergence corrélée à lénergie laser.

36 Stabilité du Pointé / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Retrait du spectromètre 1cm Après 40 cm de propagation sous vide

37 Stabilité du Pointé / 100 Tirs 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 1cm Après 40 cm de propagation sous vide Retrait du spectromètre σ 2,3 mrad ( 17 % de FWHM ) ou après 40 cm de propagation sous vide : σ X,Y 450 µm

38 Verrouillage du pointé laser & Propriétés des Electrons 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Pointé laser Charge QEnergie maximale E max Divergence FWHM Verrouillé40 pC ± 18%125 MeV ± 9%23 mrad ± 27% Déverrouillé18 pC ± 63%120 MeV ± 13 %19 mrad ± 47% Tube capillaire : 152 µm, 20 mm Densité électronique : (13 ± 2) x 10 18 cm -3

39 Verrouillage du pointé laser & Propriétés des Electrons 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Tube capillaire : 152 µm, 20 mm Densité électronique : (13 ± 2) x 10 18 cm -3 Détérioration prématurée du capillaire Pointé laser Charge QEnergie maximale E max Divergence FWHM Verrouillé40 pC ± 18%125 MeV ± 9%23 mrad ± 27% Déverrouillé18 pC ± 63%120 MeV ± 13 %19 mrad ± 47%

40 Verrouillage du pointé laser & Propriétés des Electrons 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Tube capillaire : 152 µm, 20 mm Densité électronique : (13 ± 2) x 10 18 cm -3 Détérioration prématurée du capillaire AVANT Pointé laser Charge QEnergie maximale E max Divergence FWHM Verrouillé40 pC ± 18%125 MeV ± 9%23 mrad ± 27% Déverrouillé18 pC ± 63%120 MeV ± 13 %19 mrad ± 47%

41 Verrouillage du pointé laser & Propriétés des Electrons 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Tube capillaire : 152 µm, 20 mm Densité électronique : (13 ± 2) x 10 18 cm -3 Détérioration prématurée du capillaire APRES Pointé laser Charge QEnergie maximale E max Divergence FWHM Verrouillé40 pC ± 18%125 MeV ± 9%23 mrad ± 27% Déverrouillé18 pC ± 63%120 MeV ± 13 %19 mrad ± 47%

42 Conclusion 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Pour produire des faisceaux reproductibles délectrons par sillage laser dans des tubes capillaires, il est nécessaire de : Contrôler précisément lénergie laser, Verrouiller le pointé laser. Verrouillage du pointé laser augmente la durée de vie des tubes capillaires.

43 Conclusion 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Etude statistique des propriétés de faisceaux délectrons générés par sillage laser dans des tubes capillaires pour 100 tirs laser consécutifs : Point de départ pour le projet ELISA… Propriétés électrons std( X ) Q96 pC17% 65 MeV9 % E max 120 MeV10 % FWHM 9 mrad14 % σ / 2,3 mrad

44 16/10/2013F. Desforges & al., ROSCOFF 2013 Merci pour votre attention Des questions?