Contrôle des paramètres dans un

Contrôle des paramètres dans un accélérateur laser-plasma1J. Faure, 1C. Rechatin, 1Olle Lundh, 2A. Ben Ismail, 1J. Lim, 2A. Specka, 2H. Videau, 3X. Davoine, 3E. Lefebvre, 4A. Lifschitz, 1V. Malka 1LOA, Ecole Polytechnique 2LLR, Ecole Polytechnique 3CEA, DAM, DIF Bruyères-le-Châtel, Arpajon 4LPGP, Université Paris XI,

Motivations • Développer des sources d’électrons compactes et de bonne qualité • Forts gradients: 100 GeV/m • Faible dispersion en énergie (dE/E < qques pourcents) • Faible émittance (qques p mm.mrad) • Propriétés particulières de la source • Faible durée de bunch (qques fs) • Petite taille de source (qques microns) • Développer des applications innovantes exploitant ces propriétés • Faible taille de source: radiographie de la matière dense • Fort gradient: radiothérapie avec électrons à 200 MeV • Faible durée, fort courant: source X femtoseconde (synchrotron, LEL)

Accélération laser-plasma Simulation PIC 3D de la structure Accélératrice*: Ez >100 GV /m Schéma de principe laser électrons 100 MeV en 1 mm jet de gaz * Courtesy E. Lefebvre, CEA

Ez accélérateur décélérateur Er défocalisant focalisant Structure accélératrice: onde plasma non linéaire Pulse a0=2 I=8×1018 W/cm2 lp≈ 10 mm Densité électronique • Avantages: • Champ Ez plus important • 100 GV/m • Champs Er linéaires • zone accélératrice et • focalisante plus importante

z-ct z-ct dne dne Le défi de l’injection des électrons lp ~ 10 µm Lpaquet > lp Lpaquet < lp Electrons « en phase » Faisceaux monoénergétiques Différentes phases Différents champs électriques 100 % d’étalement en énergie Requiert Lpaquet < 100 fs Challenge pour la technologie RF  Il faut injecter un faisceaux de particules sub-100 fs

Espace des phases (pz, z-vpt) • Electrons avec initial pz > 0 peuvent être accélérés • Faisceau d’électrons: volume dans l’espace des phases conservé pendant l’accélération •  Faible volume d’injection requis • Défis sur le volume d’injection • taille micrométrique • durée femtoseconde • synchronisée à la fs avec le laser

Principe: électrons Faisceau pompe Faisceau d’injection Onde plasma Injection par collision de 2 lasers Force pondéromotrice du battement: Fp ~ 2a0a1/λ0y Le battement accélère localement les électrons et les injecte dans l’onde plasmay L’INJECTION est locale et très courte (30 fs)  faisceaux monoénergétiques E. Esarey et al, PRL 79, 2682 (1997), Fubiani, PRE 2004

Battement Modulations d’intensité à l0/2 Concept d’accélération en 2 étapes polarisations circulaires 2 (a0a1)1/2 l0/2 lp Onde plasma lp

Montage expérimental Faisceau d’injection 130 mJ, 30 fs ffwhm=28× 23 µm I ~ 4×1017 W/cm2 Faisceau pompe 670 mJ, 30 fs, ffwhm=21×18 µm I ~ 4×1018 W/cm2

Faisceaux monoénergétiques • Paramètres • E = 203 MeV • Q = 15 pC • dE < 8 MeV • dE/E < 4 % • q = 4.5 mrad • Peu d’électrons à • basse énergie, • dE/E=5% limité par le spectromètre à électrons J. Faure et al, Nature 2006

Fluctuations Fluctuations RMS faisceau d’électrons: E = 206 MeV +/- 5% dE = 14 MeV +/- 21 % Q = 13 pC +/- 38 % Fluctuations RMS laser: Intensité: 3.5×1018W/cm2 +/- 17 % Pointé de faisceau: 8mm

Zinj=225 μm Zinj=125 μm Zinj=25 μm Zinj=-75 μm Zinj=-175 μm Zinj=-275 μm Zinj=-375 μm 50 100 200 300 400 Energy (MeV) Contrôle de l’énergie du faisceau injection pompe fin du jet 190 MeV in 700 mm  Ez ≈ 270 GV/m injection pompe milieu du jet injection pompe début du jet

Contrôle de la charge et de dE/E • La charge peut être contrôlée • En modifiant le chauffage pendant la collision • En modifiant l’intensité du laser d’injection, on peut modifier le chauffage: Ebatt ~ 2(a0a1)1/2 • dE/E suit également les variations de la charge

Réglage de la charge avec le faisceau d’injection SPECTRES TYPIQUES COMPORTEMENT MOYEN • En pratique, la charge et dE/E sont corrélés • Contrôle de la charge  étude du beam loading C. Rechatin et al, PRL 2009

dE/E=1 % mesuré • Collaboration LOA / LLR (A. Ben Ismail, A. Specka, H. Videau)

Limite (charge) de l’accélération dans un plasmabeam loading (saturation onde plasma) Image 1D • Le faisceau d’électron génère un champ décelérateur • Diminue l’énergie du faisceau • Limite sur la charge piégée (quand Ez=0) • Impact sur la qualité de faisceau, dE/E

Impact du beam loading sur E et dE/E (très) Faible charge Ez croissant Large dE/E Charge optimale Ez plat Energie plus faible dE/E minime (trop) Forte charge Ez inversé Energie plus faible Large dE/E + pics et plateau • Observer des corrélation entre: • Charge et E • Charge et dE/E

Expérience: corrélation charge / energie forte charge = énergie plus basse Ezbunch=1.6 GV/m/pC  Observation du beam loading ?  Simulations PIC 3D confirment que la diminution de la coupure haute énergie est due au beam loading C. Rechatin et al., accepté à Phys. Rev. Lett.

Corrélation charge, dE/E • La charge optimale semble être vers 20 pC • Possibilité d’estimer la durée du paquet* ≈ 2 fs • Possibilité d’estimer le courant crête ≈ 10 kA *C. Rechatin et al, soumis à New J. Phys.

Conclusions / Résumé • Les accélérateurs laser-plasma: production de faisceaux de bonne qualité • Energie 10-200 MeV, dizaines pC, dE/E de qques pourcents • Contrôle de l’injection: • Démontré dans la collision de deux impulsions laser • Essentiel pour (i) stabilité (ii) contrôle des paramètres (iii) qualité accrue • Beam loading est une sévère limitation sur la charge (mais selon la théorie 200 pC et dE/E < 1 % est possible) • Essentiel pour optimiser dE/E (contrôle de l’injection) • Loi d’échelle pour le régime onde plasma non linéaire(W. Lu PRSTAB 2007) • 15 J, 50 fs  2.5 GeV • La source peut être utilisée pour des applications • Petite taille de source: radiographie, radiothérapie (expériences au LOA) • Développement d’une source X ultra-brève (LEL, en cours d’étude)

Suppléments

Radiographie gamma haute résolution En collaboration avec L. Le-Dain, S. Darbon from CEA Mourainvilier and DAM Y. Glinec et al.,Phys. Rev. Lett.94, 025003 (2005)

Simulations Monte-Carlo du dépôt de dose ELECTRONS 200 MeV Réponse des cellules à un rayonnement femtoseconde ? Radiolyse de l’eau femtoseconde… Intérêt pour la radiothérapie Glinec et al., Med. Phys. 33, 155 (2006); Fuchs et al, Med. Phys. 54 3315 (2009)

Source bêtatron(Rousse et al, PRL 2004) 1-10 keV Collimatée (10 mrad) Micrométrique Ultra-brève (<100 fs) Rétro-diffusion Thomson(Schworer, PRL 2006) X-ray de haute énergie: y laser/42 Laser à électrons libres X-ray cohérents: y und/22 Nouvelles sources X femtosecondes

Paramètres • Acceptables • Avantageux • Difficiles LINAC pour les lasers à électrons libres

Que faut-il améliorer ? Tout !! • La charge • Essayer d’autres solutions d’injection (gradients de densité) • Optimiser l’injection par battement (durée d’impulsion, longueur d’onde) • Plus gros laser • La qualité de faisceau • dE/E: maîtrise de la charge et du beam loading • dE/E: augmenter l’énergie (Guidage) • Émittance: commencer par la mesurer ! • L’énergie • Guidage • Plus gros lasers Points durs: La fréquence de répétition (techno laser) L’efficacité à la prise (techno laser) La stabilité

Lois d’échelles Lu et al, PRSTAB 2007

Contrôle des paramètres dans un