B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 1 Accélérateurs laser-plasma: état de l’art et perspectives Brigitte Cros Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas.

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1 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 1 Accélérateurs laser-plasma: état de l’art et perspectives Brigitte Cros Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas CNRS-Université Paris Sud, Orsay

2 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 2 Plan de l’exposé Origines Motivation Mécanismes physiques Etat de l’art international Contribution des groupes français Enjeux et perspectives

3 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 3 Les origines Une idée et des instruments de pointe Tajima et Dawson, Phys. Rev. Lett. 1979 Une onde de plasma est associée à de très forts gradients accélérateurs Concept du sillage laser Strickland et Mourou, Opt. Comm. 1985 Concept de système laser en impulsions courte à dérive de fréquences Des impulsions laser courtes et intenses sont disponibles à partir du début des années 1990 Le sillage laser est en plein développement

4 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 4 Les installations laser de classe 100TW dans le monde Plus de la moitié des groupes travaillent sur l’ALP

5 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 5 Motivations actuelles Aller au-delà de la démonstration de principe Les accélérateurs laser plasma (ALP) sont des sources d’électrons et de rayonnement (THz, X, gamma) compactes (1GeV, 3cm, 100m²) de très courte durée (10 fs) Ils sont utilisables dans un environnement universitaire ou industriel : applications utilisateurs Ils ont un fort potentiel d’évolution Optimisation des propriétés du faisceau dans la gamme 100MeV -1GeV Contrôle du rayonnement généré Etude de faisabilité d’un accélérateur à haute énergie (multi-étages)

6 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 6 Sillage laser: régime « linéaire » Structure accélératrice sinusoïdale: λ p ~ 50 µm Champ accélérateur: 1-100 GV/m Il faut injecter des électrons de l’extérieur du plasma

7 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 7 Sillage laser: régime non linéaire Evolution NL de l’impulsion laser: compression et auto- focalisation Expulsion des électrons: création d’une bulle Auto-injection des électrons à l’arrière de la bulle par les champs accélérateurs et focalisants Les électrons injectés modifient l’arrière de la bulle (beam loading) Génération de rayonnement synchrotron si oscillation transverse Wei Lu talk, HEEAUP05 – UCLA & IST

8 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 8 Gain d’énergie d’un électron Δ W = e E p L Longueur d’accélération déterminée par Déphasage des électrons qui entrent dans une phase déccélératrice: L deph  1/ n p 3/2 Amortissement de l’énergie laser: L am  1/ (a 0 ² n p 3/2 ) Optimum pour L deph ~L am et a 0 ~1 Δ W  1/n p Pour augmenter le gain d’énergie il faut une basse densité une grande longueur d’interaction

9 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 9 Questions de fond pour les ALP Comment augmenter la longueur d’accélération? Comment injecter des électrons dans la structure accélératrice de façon précise et contrôlée? Enjeu: permettre de contrôler les propriétés du faisceau accélérer Les réponses dépendent du régime d’accélération et des caractéristiques souhaitées pour le faisceau d’électrons

10 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 10 Performance des ALP (énergie) Les lasers actuels de puissance <100TW permettent d’obtenir un faisceau avec une énergie de l’ordre du GeV après 3 cm 40TW longueur 3 cm dans un canal de plasma Divergence 1.6mrad (rms) Leemans et al. Nature Physics 2, 696 (2006) Berkeley+guidage Oxford L = 33 mm, diam 190µm r spot (1/e²) = 25 µm Laser LBNL 40fs, 1.6J 12 TW, n e = 3.5 10 18 cm -3 0.5 GeV, 50pC, dE/E = +/- 5% 40 TW, n e = 4.3 10 18 cm -3 1 GeV, 30 pC, dE/E = +/- 2.5%

11 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 11 Test de schéma d’injection contrôlée par ionisation Laser 40TW, n e =3x10 18 cm -3 Impuretés (0.5% Azote) dans l’injecteur: Ionisation au maximum de l’impulsion laser permet de contrôler le moment de création des électrons Accélérateur de plus basse densité (Helium): Permet d’accélérer les électrons sur une plus grande longueur dans l’accélérateur car la longueur de déphasage est plus grande Pollock et al., Phys Rev. Lett 2011 (LLNL) 3 mm 5 mm

12 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 12 Contrôle de l’injection par collision de faisceaux (LOA) Stabilisation du mécanisme d’injection Contrôle de l’énergie C. Rechatin et al., Phys. Rev. Lett. (2009) J. Faure et al., Nature (2006)

13 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 13 ALP en régime linéaire (LPGP) Guidage du laser par des tubes capillaires Création d’un champ accélérateur (1-10 GV/m) sur une grande longueur Mesure par diagnostic optique Tube capillaire D 100 µm, L = 8 cm, rempli d’hydrogène Laser 10 17 W/cm 2 - 4 TW Laser entrée Laser sortie Andreev et al. New J. Phys. 12 (2010) 045024. Wojda et al. Phys. Rev. E 80, 066403 (2009)

14 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 14 Les enjeux pour le futur des ALP Améliorer les systèmes laser utilisés: Qualité de faisceau, fiabilité, stabilité Puissance moyenne (10Hz à 10kHz) Développer les schémas d’injection externe pour augmenter l’énergie et la qualité du faisceau dans des plasmas de faible densité: Injecteurs optiques Injecteurs RF Tester l’accélération multi-étages pour pallier à l’amortissement du laser et au déphasage des électrons (10 GeV max par étage)

15 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 15 Concept de collisioneur laser plasma (groupe de W. Leemans)

16 B. Cros, Journées Accélérateurs 2011 16 Conclusion et perspectives Les ALP produisent actuellement des faisceaux d’électrons de très courte durée (<10fs), jusqu’à 1 GeV, dE/E~2.5% rms Le guidage et l’augmentation de l’énergie laser permettront d’atteindre ~10 GeV en un seul étage (ex: projet laser APOLLON 10 PW en France) Le renforcement de la coordination est cours Européen (EURONNAC) International (ICFA) Vers la définition d’une installation ALP internationale?