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Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages

Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages. B. S. Paradkar 1 , G. Maynard 1 , B. Cros 1 A. Chancé 2 , P. Mora 3 M. Grech 4 , K. Riconda 4 1 LPGP , ORSAY 2 SACM/LEDA , Saclay 3 CPHT , X-Palaiseau 4 LULI , X-Palaiseau. Plan. Projet CILEX Physique et modélisation de l’ALP

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Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages

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Presentation Transcript

  1. Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages B. S. Paradkar1 , G. Maynard1, B. Cros1 A. Chancé2, P. Mora3 M. Grech4, K. Riconda4 1LPGP, ORSAY 2SACM/LEDA, Saclay 3CPHT, X-Palaiseau 4LULI, X-Palaiseau

  2. Plan Projet CILEX Physique et modélisation de l’ALP Résultats étage accélérateur Travaux en cours sur injecteur Conclusions

  3. 11 laboratoires (200 personnes) X:LULI, LLR, CPhT; UPS:LAL, LPGP, LUMAT; IOGS:LCFIO, CEA: IRAMIS/SPAM, IRFU/SACM; ENSTA: LOA; SOLEIL 15 M€ (équipement) + 5 M€ (fonctionnement) (2011-2019) Roscoff octobre 2013

  4. Apollon et ses centrales de proximité :un ensemble unique d’installations laser IRAMIS/SPAM/UHI100, 2,5 J, 100 TW, 25 fs UPS/LUMAT/LASERIX 10J, 35 fs ENSTA/LOA : Salle Jaune 2 x 60 TW, 30 fs X/LULI : ELFIE, multi-faisceaux 100 J 100fs -> ns Apollon 10P : 10 PW + 1 PW + sonde + long (ns) Roscoff octobre 2013

  5. APOLLON sera implanté sur le site ALS de l’Orme des merisiers (CEA-Saclay) • 3 salles radio-protégées: • Salle laser • Salle longue focale • Salle courtefocale 1500 m2 F1: Faisceau 10PW : 150 J, 15 fs – 10 ps, 400 mm F2 : Faisceau 1PW : 15 J, 15 – 200 fs, 140 mm F3 : Faisceau ns: 300 J max, 1 ns, 140 mm. F4 : Faisceausonde: 250 mJ < 20 fs, 100 mm

  6. 4 thématiques principales sont développées dans le cadre du CILEX Roscoff octobre 2013 L’accélération d’électrons Laser-Plasma (100 GeV) B. Cros Sources de rayonnement EUV, X, Gamma. Ph. Zeitoun, F. Quéré Accélérations ions (100 MeV) J. Fuchs Physique des champs forts (1024 W/cm2), A. Di-Piazza

  7. 3 phases de développements pour l’accélération électrons Roscoff octobre 2013 2013-2015 : travaux expérimentaux et de modélisation préparatoires à l’aménagement salle longue focale 2015-2016 : premiers tests accélération électron configuration simple 2016-2017 : démarrage de l’étude expérimentale d’un accélérateur 2 étages

  8. L’accélération à plusieurs étages doit permettre d’atteindre de très grandes énergies • Contraintes pour un étage : • L’injection d’électrons doit être limitée à une faible zone (affiche Rémi Lehe) • Longueur de Rayleigh -> guidage -> faiblement non-linéaire • Longueur de déplétion -> l’intensité laser dépend de z • Longueur de déphasage -> le paquet d’électrons ne reste pas dans la position optimale • Le gain en énergie dépend de la densité Roscoff octobre 2013

  9. Quelques ordres de grandeur de paramètres physiques Roscoff octobre 2013

  10. Modélisation ALP : problème multi-échelles spatial et temporel dans un espace à 7 dimensions VLASOV 6D+t CHAMP E.M. MAXWELL. 3D+t. ELECTRONS. Densité de charges et de courants Roscoff octobre 2013

  11. Méthodes numériques et modèles physiques doivent être optimisés pour les domaines traités • Numériques : • Vlasov -> PIC • HPC • fenêtre glissante • ‘ Boosted Frame‘ (WARP, J.L. Vay) • Physique • Réduire dimensionnalité (R-Z, R-Z-exp(im)) (Calder-circ) • Séparation HF(laser), BF(enveloppe, plasma) • Faiblement non-linéaire (pas de piégeage) • Approximation quasi-statique -> WAKE (P.Mora, T.M.Antonsen : PoP 4 (1997) -> étage accélérateur Roscoff octobre 2013

  12. Modélisation d’un étage accélérateur laser-plasma dans un tube capillaire • Haute énergie -> basses densités -> grandes longueurs ( 1m) • Guidage du laser par réflexion à la surface d’un tube diélectrique : • relative simplicité de mise en œuvre jusqu’à  1m • guidage efficace à basse densité • Démonstrations expérimentales (10 cm) sur plusieurs installations (B. Cros)

  13. Simulations numériques WAKE-EP(B. Paradkar, PoP 20, 2013) Géométrie 2D-RZ, approximation quasi-statique pour laser, plasma froid Traitement spécifique des électrons injectés (PIC). L’effet de charge d’espace du faisceau ‘beam loading’ est inclus). Conditions aux frontières à la paroi du diélectrique Ionisation du gaz Temps de calcul  0,1 h CPU/cm

  14. WAKE-EP permet de réaliser des études paramétriques Plasma dans tube capillaire: • Densité = 1017 cm-3 • longueur de-phasage ~ 100 cm • P~ 100 μm Laser pulse (λ0 = 0.8 μm) : • Intensité : 2 − 4 ×1018 W/cm2 • Waist, W0 : 60 − 240 μm • durée (FWHM) :15 − 132 fs • Puissances : 0.1 − 2.5 PW Paquet d’électrons injectés: • Paquet Gaussien (temps et espace) (50 MeV, 10 fs, 10 μm) • Distribution en énergie des électrons -> A. Chancé Tube capillaire: • verre • Couplage optimisé Rcap = 1.54 W0

  15. La perte de charge augmente lorsqu’on se rapproche de la résonance La perte de charge est due au champ radial.

  16. Le battement de modes induit une oscillation du champ transverse Battements modes 1-2 à la résonance : Champ accélérateur plus grand, mais champ transverse également plus grand -> perte importante Non résonant résonant Roscoff octobre 2013

  17. Le battement de modes induit un état transitoire ayant un fort champ transverse -> pertes élevées Champ radial Champ longitudinal

  18. La réduction de la durée laser et l’augmentation du waist, permet de réduire les pertes IL = 4 × 1018 W/cm2, Τ(FWHM) = 40 fs Période battement augmente avec le rayon du tube Saturation de l’accélération au-delà de la longueur de déphasage (~ 100 cm) > 80% de la charge injectée se retrouve en sortie Roscoff octobre 2013

  19. Accélération > 10 GeV obtenue avec un faisceau large IL = 4 × 1018 W/cm2 , Τ (FWHM) = 40 fs Faisceau avec unefaible dispersion en énergie(< 5%) estobtenue après 1,5 m d’accélération

  20. Le couplage ligne de transport-accélérateur a été réalisé Ligne de transport A. Chancé injecteur WAKE-EP Laser : a0 = 1.42 T(FWHM) = 40 fs W0 = 100 μm densité= 1017 cm-3 Ligne de Transport = 1 m Importance de l’optimisation de l’injecteur.

  21. Injecteur : code PIC 3D (R-Z- exp(im)) Plusieurs schémas possibles. Dans le cadre de CILEX, injection par ionisation en utilisant un mélange de gaz Collaboration J.L. Vay utilisation de la suite de codes WARP Développement dans le cadre de CILEX d’un code PIC ouvert SMILEI Roscoff octobre 2013

  22. Conclusions I L’accélération laser-plasma à 2 étages est un projet phare du CILEX Les performances attendues du laser Apollon ouvre la voie à des énergies > 10 GeV à l’horizon 2017-2020 La modélisation est un enjeu majeur pour pouvoir optimiser la configuration expérimentale Cette modélisation est développée dans un cadre ouvert, associant des compétences complémentaires Elle s’appuie sur une bibliothèque de modules gérés par une sur-couche logiciel, pour s’adapter aux problèmes posés Roscoff octobre 2013

  23. Conclusions II WAKE-EP opérationnel. Il a été optimisé pour l’étage accélérateur, plusieurs benchmarks avec d’autres codes sont en cours Les résultats montrent que le guidage par capillaire permet d’atteindre des énergies > 10 GeV L’influence de champs transverses dé-focalisants doit être analysée en détails Le couplage ligne de transport-accélérateur est opérationnel Prochaine étape : modélisation injecteur : WARP ….SMILEI et couplage avec ligne de transport Importance de l’investissement dans HPC Roscoff octobre 2013

  24. The radial loss of electrons is preceded by transverse modulations in the laser intensity profile . Oscillations in amax due to beating of vacuum modes Resonant pulse: Higher mean energy of accelerated beam More loss of charge Resonant pulse Non resonant Mode beating causes modulations in the transverse intensity profile of the laser.

  25. Comparison between capillary tube and gas cell Laser : a0 = 1.42 , τ (FWHM) = 40fs, Waist = 240 μm Plasma density = 1017 cm-3

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