Particle acceleration with beam driven wakefield

par Antoine Doche

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Victor Malka.

Soutenue le 09-03-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de ?cole doctorale Ondes et Mati?re (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec ?cole polytechnique (Palaiseau, Essonne) (?tablissement op?rateur d'inscription) et de Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Mora.

Le jury était composé de Victor Malka, S?bastien Corde, Edda Gschwendtner.

Les rapporteurs étaient Emmanuel d' Humi?res, Philippe Balcou.

  • Titre traduit

    Acc?l?ration de particules dans des ondes de sillage plasma excit?es par faisceaux de particules


  • Résumé

    Les acc?l?rateurs par onde de sillage plasma produites par faisceaux de particules (PWFA) ou par faisceaux laser (LWFA) appartiennent ? un nouveau type d?acc?l?rateurs de particules particuli?rement prometteur. Ils permettent d?exploiter des champs acc?l?rateurs jusqu?? cent Giga?lectronvolt par m?tre alors que les dispositifs conventionnels se limitent ? cent Mega?lectronvolt par m?tre. Dans le sch?ma d?acc?l?ration par onde de sillage plasma, ou par onde de sillage laser, un faisceau de particules ou une impulsion laser se propage dans un plasma et cr?? une structure acc?l?ratrice dans son sillage : c?est une onde de densit? ?lectronique ? laquelle sont associ?s des champs ?lectromagn?tiques dans le plasma. L?un des principaux r?sultats de cette th?se a ?t? la d?monstration de l?acc?l?ration par onde de sillage plasma d?un paquet distinct de positrons. Dans le sch?ma utilis?, un plasma de Lithium ?tait cr?? dans un four, et une onde plasma ?tait excit?e par un premier paquet de positrons (le drive ou faisceau excitateur) et l??nergie ?tait extraite par un second faisceau (le trailing ou faisceau t?moin). Un champ acc?l?rateur de 1,36 GeV/m a ainsi ?t? obtenu durant l?exp?rience, pour une charge acc?l?r?e typique de 40 pC. Nous montrons ?galement ici la possibilit? d?utiliser diff?rents r?gimes d?acc?l?ration qui semblent tr?s prometteurs. Par ailleurs, l?acc?l?ration de particule par sillage laser permet quant ? elle, en partant d?une impulsion laser femtoseconde de produire un faisceau d??lectron quasi-mono?nerg?tique d??nergie typique de l?ordre de 200 MeV. Nous pr?sentons les r?sultats d?une campagne exp?rimentale d?association de ce sch?ma d?acc?l?ration par sillage laser avec un sch?ma d?acc?l?ration par sillage plasma. Au cours de cette exp?rience un faisceau d??lectrons cr?? par laser est refocalis? lors d?une interaction dans un second plasma. Une ?tude des ph?nom?nes associ?s ? cette plateforme hybride LWFA-PWFA est ?galement pr?sent?e. Enfin, le sch?ma hybride LWFA-PWFA est prometteur pour optimiser l??mission de rayonnement X par les ?lectrons du faisceau de particule cr?e dans l??tage LWFA de la plateforme. Nous pr?sentons dans un dernier temps la premi?re r?alisation exp?rimentale d?un tel sch?ma et ses r?sultats prometteurs.


  • Résumé

    Plasma wakefield accelerators (PWFA) or laser wakefield accelerators (LWFA) are new technologies of particle accelerators that are particularly promising, as they can provide accelerating fields of hundreds of Gigaelectronvolts per meter while conventional facilities are limited to hundreds of Megaelectronvolts per meter. In the Plasma Wakefield Acceleration scheme (PWFA) and the Laser Wakefield Acceleration scheme (LWFA), a bunch of particles or a laser pulse propagates in a gas, creating an accelerating structure in its wake: an electron density wake associated to electromagnetic fields in the plasma. The main achievement of this thesis is the very first demonstration and experimental study in 2016 of the Plasma Wakefield Acceleration of a distinct positron bunch. In the scheme considered in the experiment, a lithium plasma was created in an oven, and a plasma density wave was excited inside it by a first bunch of positrons (the drive bunch) while the energy deposited in the plasma was extracted by a second bunch (the trailing bunch). An accelerating field of 1.36 GeV/m was reached during the experiment, for a typical accelerated charge of 40 pC. In the present manuscript is also reported the feasibility of several regimes of acceleration, which opens promising prospects for plasma wakefield accelerator staging and future colliders. Furthermore, this thesis also reports the progresses made regarding a new scheme: the use of a LWFA-produced electron beam to drive plasma waves in a gas jet. In this second experimental study, an electron beam created by laser-plasma interaction is refocused by particle bunch-plasma interaction in a second gas jet. A study of the physical phenomena associated to this hybrid LWFA-PWFA platform is reported. Last, the hybrid LWFA-PWFA scheme is also promising in order to enhance the X-ray emission by the LWFA electron beam produced in the first stage of the platform. In the last chapter of this thesis is reported the first experimental realization of this last scheme, and its promising results are discussed.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : École polytechnique. Bibliothèque Centrale.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.