Accélération Laser de Particules Résultats et Perspectives

Accélération Laser de Particules
Résultats et Perspectives
Journées Accélérateurs SFP
Roscoff Mars 2000
F. Amiranoff
Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses
CNRS - CEA - Ecole Polytechnique - Université Paris 6
Collaborateurs :
V. Malka, J.R. Marquès, J. Faure : LULI
D. Bernard, F. Jacquet, Ph. Miné : LPNHE
J. Morillo : LSI
B. Cros, G. Matthieussent, C. Courtois : LPGP, CNRS - Université Paris Sud
A.E. Dangor, K. Krushelnick, Z. Najmudin, M. Salvati : Imperial College
Laboratoire d’Optique Appliquée
P. Mora, A. Solodov : Centre de Physique Théorique, CNRS - X
LPNHE - LSI -LPGP
IC - LOA - CPTH
Accélération laser de particules : résumé
• L’interaction entre un laser de puissance et un plasma produit
des champs électriques du GV/m à > 100 GV/m.
• Applications potentielles comme :
• accélérateurs “compacts” à haut gradient
• sources intenses et brèves d’électrons
• sources intenses et brèves d’ions
• sources intenses et brèves de rayonnement γ
• sources intenses et brèves de ….
Les électrons peuvent être accélérés par le champ laser
ou par des ondes plasmas
• Après focalisation, l’intensité atteint 1016 W/cm2 à 1020 W/cm2
E
B
Faisceau laser (jusqu ’au PW)
Optique de focalisation
• Le champ transverse associé atteint 300 GV/m à 30 TV/m
• L’énergie d’un électron dans ce champ vaut :
γ ¡ ( 1 + Iλµ2 / 2.81018 )1/2
•Les électrons sont relativistes et le terme longitudinal
v X B est important
Les électrons peuvent être accélérés par le champ laser
ou par des ondes plasmas
Un plasma supporte des ondes de champ électrique
de charge d’espace de vitesse de phase relativiste
E
E
vφ
ne
+ ++ +
++
ni
• Les électrons oscillent naturellement
à la fréquence plasma
• Le champ E peut être très élevé
E [GV/m] = 30 [ne / 1017 cm-3 ]1/2 δ
E
x
• La vitesse de phase peut être ¡ c
Dans une onde plasma, le gain d’énergie potentiel est élevé
• Pour un électron relativiste explorant toute la zone accélératrice, le
gain d’énergie est :
vφ
Champ électrique progressif
? W = 4 mc2 γ2
v ¡ c , v > vφ
• La longueur d’accélération est :
L = λp γ2 = λ0 γ3
• Dans les plasmas utilisés :
γ ∝ 1/ne ¡ 5 - 300
Ex 1 : λ0 = 1 µm , ne = 1017 e-/cm3 , γ = 100 : ? W = 20 GeV sur L = 1 m
Ex 2 : λ0 = 1 µm , ne = 1019 e-/cm3 , γ = 10 : ? W = 200 MeV sur L = 1 mm
La force ponderomotrice du champ laser transforme le
champ laser transverse en séparation de charge et onde
propagative
• Le champ électromagnétique agit comme une pression :
il repousse les électrons hors des zones de champ intense
F
F
E
E2
electron
∂v


m
+ v ⋅ ∇v = − e [E(r) + v × B(r)] ⇒ F ∝ − ∇E 2
 ∂t

vg laser ¡ c
• Un exemple : le sillage
L’exemple du sillage : un faisceau laser + un faisceau d’e-
Compresseur
Autocorrelateur
2nd ordre
10 J, 300 fs
Parabole (f=1.4 m)
Aimant d’injection
faisceau d’e dump
(3 MeV, 0.2 mA)
Région d’interaction
PMs
Scintillateurs
1 ns faisceau étiré
Schéma sillage
e-spectromètre
(He 0.1 à 4 mbar)
Energie et tache focale
Laboratoire SESI
Tube sous vide
depuis LULI
Sillage : Acceleration dans un champ de 1.5 GV/m
Les electrons de 3 MeV sont accélérés jusqu’à ¡ 4.5 MeV
Dans un champ maximum de 1.5 GV/m
1000
Nombre d’électrons
Bruit : électrons déviés
100
10
1
3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00
Energie (MeV)
2.5 J 350 fs 1017 W/cm2 0.5 mbar He
Sillage auto-modulé : 1 faisceau laser dans un jet de gaz
IC - LPGP
faisceau principal (350 fs)
Diodes à électrons
Parabole hors-axe
f = 1800 mm
B
Jet de gaz
Spectrometre 0-200 MeV
Le faisceau laser est modulé et génère l’onde plasma
t1
t2
t3
Le champ E est si intense qu’il accélère des électrons du plasma
¡ 100 MeV dans un champ >100 GV/m
IC - LPGP
quelques nC au dessus de 4 MeV
divergence de quelques mrad
Nombre d'électrons/MeV/sr
1011
spectre 100 b
1010
spectre (30bars)
109
108
107
seuil de détection
6
10
0
10
20
30
40
50
Energie des électrons(MeV)
τ = 30 fs, 300 mJ, 10 Hz
60
70
Accélération laser de particules :
résumé des expériences basse densité
Battement : accélération (UCLA, LULI, Canada, Japon)
? W=1 MeV - 30 MeV, 1 GV/m sur 1-10 mm
Projets à ¡ 1 GeV
Sillage : accélération (LULI)
? W=1.5 MEV, 1 GV/m sur 2 mm
Perspectives à ¡ 1 GeV
Sillage automodulé (RAL, CUOS, NRL, LULI, UCLA)
? W jusqu’à 100 MeV, 100 GV/m sur 1 mm
nC, mrad, taille de la source : qq µm
Perspectives à ¡ 1 GeV
Conclusions et perspectives sur l’accélération laser de particules
• Le principe a été démontré
• gains d’énergie de 1 MeV à 100 MeV
• E de 1 GV/m à 100 GV/m
• le GeV est possible
• Sources d’électrons jusqu’à ¡ 1 GeV (nC, <1 ps)
• la qualité doit être précisée et améliorée
• Gains élevés
• la qualité du faisceau accéléré doit être mesurée
• Les gains très élevés reposent sur le guidage
• différents schémas en cours de test
• Sur cibles solides
• sources d’ions, d’X, de γ, réactions nucléaires