Développement d'un injecteur pour l'accélération laser plasma multi-étages

par Thomas Audet

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Gilles Maynard.

Soutenue le 10-11-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Patrick Mora.

Le jury était composé de Gilles Maynard, Patrick Mora, Danilo Giulietti, Dino Anthony. Jaroszynski, Ralph Assmann.

Les rapporteurs étaient Danilo Giulietti, Dino Anthony. Jaroszynski.


  • Résumé

    L’accélération laser plasma (ALP) est un mécanisme d’accélération de particules reposant sur l’interaction d’impulsions laser ultra-intenses, de l’ordre de quelques 10^{18} W/cm², avec un plasma. L’onde plasma générée dans le sillage de l’impulsion laser est associée à des champs électriques de grande amplitude (1 − 100 GV/m). Ces champs électriques de trois ordres de grandeurs supérieurs aux champs maximums supportés dans les cavités radiofréquences des accélérateurs conventionnels constituent le principal point fort de l’ALP, permettant d’envisager des accélérateurs de particules plus compacts. Un important travail pour améliorer les propriétés des paquets d’électrons générés par ALP, leur stabilité et la cadence de tir est cependant nécessaire pour rendre l’ALP compétitive en termes d’applications.Un moyen d’améliorer les propriétés des faisceaux d’électrons consiste à les accélérer dans un régime faiblement non linéaire en plusieurs étapes successives : l’ALP multi-étages. La source laser-plasma d’électrons, ou injecteur, doit générer des paquets d’électrons d’énergie modeste (50 − 100 MeV), de charge la plus importante possible, de faible dimension et de faible divergence. Les électrons doivent alors être injectés dans un second étage purement accélérateur dont l’objectif est d’augmenter leur énergie cinétique.L’objet de cette thèse est le développement d’un injecteur laser plasma pour l’ALP multi-étages. Dans le cadre d’une collaboration autour de l’equipex CILEX et du programme d’ALP à deux étages, un prototype d’injecteur a été construit, ELISA, reposant sur une cellule de gaz de longueur variable. La densité électronique du plasma, qui est un paramètre crucial pour le contrôle du faisceau d’électrons, a été caractérisée à la fois expérimentalement et numériquement. ELISA a été utilisée sur deux installations laser différentes, et les mécanismes physiques déterminant les paramètres des paquets d’électrons produits par ELISA ont été étudiés en fonction des nombreux paramètres expérimentaux. Une gamme de paramètres pertinents pour un injecteur laser plasma a été déterminée.Une ligne de transport et diagnostic magnétique a également été construite, implantée et testée sur l’installation UHI100 du CEA Saclay, permettant à la fois de caractériser plus finement les propriétés des paquets d’électrons générés par ELISA, mais aussi d’évaluer la qualité des paquets d’électrons transportés pour l’injection dans un second étage.

  • Titre traduit

    Design of an electron injector for multi-stages laser wakefield acceleration


  • Résumé

    Laser wakefield acceleration (LWFA) is a particle acceleration process relying on the interaction between high intensity laser pulses, of the order of 10^{18} W/cm² and a plasma. The plasma wave generated in the laser wake sustain high amplitude electric fields (1-100 GV/m). Those electric fields are three orders of magnitude higher than maximum electric fields in radio frequency cavities and represent the main benefit of LWFA, allowing more compact acceleration. However improvements of the LWFA-produced electron bunches properties, stability and repetition rate are mandatory for LWFA to be usable for applications.A scheme to improve electron bunches properties and to potentially increase the repetition rate is multi-stage LWFA. The laser plasma electron source, called the injector, has to produce relatively low energy (50-100 MeV), but high charge, small size and low divergence electron bunches. Produced electron bunches then have to be transported and injected into a second stage to increase electron kinetic energy.The subject of this thesis is to study and design a laser wakefield electron injector for multi-stage LWFA. In the frame of CILEX and the two-stages LWFA program, a prototype of the injector was built : ELISA consisting in a variable length gas cell. The plasma electronic density, which is a critical parameter for the control of the electron bunches properties, was characterized both experimentally and numerically. ELISA was used at two different laser facilities and physical mechanisms linked to electron bunches properties were studied in function of experimental parameters. A range of experimental parameters suitable for an laser wakefield injector was determined.A magnetic transport and diagnostic line was also built, implemented and tested at the UHI100 laser facility of the CEA Saclay. It allowed a more precise characterization of electron bunches generated with ELISA as well as an estimation of the quality of transported electron bunches for their injection in a second laser wakefield stage.


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