Accélérateur laser – plasma - CEA-Irfu

Accélérateur laser – plasma
Brigitte CROS
LPGP-CNRS-Université Paris Sud 11
Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas
Interaction et Transport de Faisceaux Intenses dans les
Plasmas
Journée thématique DAPNIA Accélérateurs, 9 janvier 2006
Plan de l’exposé
Principe et performances attendues
Onde de plasma
Méthodes de création
Propriétés pour l’accélération
Projets en cours
Perspectives
Pourquoi utiliser un plasma
Champs accélérateurs > 100 GV/m
ne +dn e
E
Champ de charge d’espace et
onde de plasma
ne = Zn i
E
vf
x
Onde relativiste:
Vitesse de phase de l’ordre de c
lp
1/2
ne(cm ) dne
E(GV /m)  30
17 
10

 ne
3
Comment créer une onde de plasma
Ion
Impulsion laser
L=ct
Electron
Force pondéromotrice
Oscillation des
électrons sur lp
Sillage non linéaire avec auto-injection
• The front of the laser pulse
interacts with the plasma. As a
result it loses energy (Local
pump depletion) and etches
back.
• The shape and size of the
accelerating structure slightly
change.
• Electrons are self-injected in the
ion channel at the tail of the ion
channel due to the accelerating
and focusing fields.
from Wei Lu talk, HEEAUP05
• The trapped electrons slightly
elongate the back of the spheroid.
22 pC
Courtesy: K. Krushelnick, RAL
Parameter designs for
Gev,10Gev,100Gev,1Tev
from Wei Lu, UCLA
P(PW)
τ (fs)
np (cm3)
W0 (μm)
L(m)
a0
Δnc/np
Q(nC)
E(Gev)
0.12
30
2e18
15
0.009
4
0%
1.3
1.12
1.2
100
2e17
47
0.28
4
<20%
4
11.2
12
300
2e16
150
9
4
<20%
13
112
120
1000
2e15
470
280
4
<20%
40
1120
1
80
5e17
35
0.08
5.1
0%
4
5.8
10
180
1.2e17
80
0.8
6.8
0%
12
33
100
430
2.8e16
190
8
9.1
0%
40
182
1000
1000
6.5e15
450
80
12.1
0%
120
1012
0.1-1 Mega Joule >> Paramètres laser irréalistes pour 1 TeV…
Autre possibilité:
régime linéaire
0.0
40
30
Sillage
laser
en
régime
linéaire
0
20
1
10
2
n / N 0e
k r 3
p
0
(z
4 Electron Density
k p0
5
t)
c
-
Propagation length
1.4
4.6 cm
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
E field: 16 GV/m
30
0
20
1
k2 3
p0 r
4
10
0
5
(z
40
t)
c
-
k p0
N.E. Andreev et al., Phys. Plasmas 9, 3999 (2002)
Gain d’énergie d’un électron dans une
onde de plasma
Ep
t1
v~c
t2
t3
Ep prop ne1/2
La prop ne-3/2
DW = e Ep La
~ 4mc2gf2
vf~c
La < Ldeph = lp gf2
DW prop ne-1
Gain d’énergie
gf = lp / l0
ne
1017cm-3
1019cm-3
gf
100
10
La
1m
1 mm
DWmax
20 GeV
200 MeV
En régime linéaire il faut
Injecter des électrons de l’extérieur
Guider le laser pour créer un
plasma long
Contrôler la longueur du plasma
pour obtenir un faisceau de bonne
qualité
Schéma de principe
La = Ldeph
Gain d’énergie: 1 GeV sur 10 cm pour 1J laser
Injection d’un faisceau court pour améliorer
Les caractéristiques spectrales
Le nombre d’e- accélérés
L’émittance transverse
Projets en cours
From W. Leemans talk
Mixed system:
Courtesy of K. Nakajima, ACFA Chair
Futur proche en Europe: EUROLEAP
European Laser Electron controlled Acceleration
in Plasmas to GeV energy range
Projet européen accepté janvier 06, pour 3 ans
11 labos Européens pour construite un prototype
d’accélérateur laser-plasma
Energie de l’ordre du GeV,
Largeur en énergie de l’ordre du 1%,
Durée du paquet de l’ordre de 100 fs,
Charge de l’ordre de 10 pC à 100 pC.
Perspectives
Feuille de route de l’accélération
laser-plasma
Laser
10 GeV – 1TeV ?
Injecteur
2020-20.. ?
Cavités plasma
Injecteur optique
1 GeV
2008
100 MeV
2004
Cavité plasma
photo-injecteur
Laser
1 J 100 fs 800 nm
Etapes et défis
Un accélérateur laser plasma de quelques GeV
devrait être réalisable dans les 5 ans
Outil de test de détecteurs et développement de diagnostics
Injecteur pour source de rayonnement
Collisioneur laser plasma?
Résoudre les problèmes d’un accélérateur à nombreux
étages (stabilité, qualité faisceau…)
Résoudre les problèmes liés à l’efficacité du laser
Constituer une collaboration ALP
Arriver à une taille critique
Réunir des compétences complémentaires