Injection induite par ionisation pour l’accélération laser-plasma dans des tubes capillaires diélectriques

par Frédéric Desforges

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Brigitte Cros.

Le président du jury était Patrick Puzo.

Le jury était composé de Brigitte Cros, Patrick Puzo, François Amiranoff, Fabien Dorchies, Jean-Luc Revol.

Les rapporteurs étaient François Amiranoff, Fabien Dorchies.


  • Résumé

    L’interaction d’une impulsion laser, courte (~ 10 - 100 fs) et ultra-intense (> 10^18 W/cm²), avec un plasma sous-dense (< 10^19 cm^-3) peut accélérer, de manière compacte, une fraction des électrons du plasma jusqu’à des énergies relativistes (~ 100 - 300MeV). Ce phénomène, nommé accélération plasma par sillage laser (APSL), pourrait avoir de nombreuses applications telles que le futur collisionneur d’électrons a ultra-hautes énergies. Cependant, cela requiert au préalable des développements supplémentaires afin que l’APSL produise des paquets d’électrons stables et reproductibles avec une excellente qualité, c’est-à-dire de faibles émittances longitudinale et transverses.Au cours de cette thèse, une étude expérimentale de la stabilité et de la reproductibilité des paquets d’électrons auto-injectes a été réalisée dans des tubes capillaires diélectriques, de longueur 8-20mm et de rayon interne 76-89 µm, contenant du H2 pur a une densité électronique de (10 +/- 1, 5)x10^18 cm^-3. Des paquets d’électrons auto-injectes ont été produits, a une cadence de deux tirs par minute, avec une charge accélérée au-delà de 40 MeV de (66+/-7) pC, une énergie moyenne de (65+/-6) MeV, une divergence de (9+/-1) mrad et une fluctuation de pointe de 2,3 mrad. Trois sources de fluctuations et de dérives des propriétés des paquets d’électrons ont été discutées : dérive d’énergie laser, modification du gradient montant de densité électronique et fluctuations du pointé laser. Des contraintes sur le régime de fonctionnement ont été proposées afin d’améliorer la stabilité et la reproductibilité de la source laser-plasma d’électrons.Un mécanisme alternatif d’injection d’électrons dans l’onde de plasma a également été examiné : l’injection induite par ionisation. Une étude expérimentale a montré que les paquets d’électrons accélérés dans un mélange de 99%H2 + 1%N2 ont une charge deux fois plus importante qu’en présence de H2 pur. De plus, une injection plus précoce a été observée pour le mélange de 99%H2 + 1%N2, indiquant que les premiers électrons sont captures selon le mécanisme d’injection induite par ionisation. Une étude complémentaire, utilisant des simulations Particle-In-Cell avec le code WARP, confirment les résultats expérimentaux et suggèrent que l’auto-injection est supprimée par l’injection induite par ionisation.

  • Titre traduit

    Laser wakefield acceleration with ionization-induced injection in dielectric capillary tubes


  • Résumé

    The interaction of a short (~ 10 - 100 fs) and ultra-intense (> 10^18 W/cm²) laser pulse with an underdense (< 10^19 cm^-3) plasma can accelerate, in a compact way, a fraction of the electrons of the plasma toward relativistic energies (~ 100 - 300MeV). This mechanism, called laser wakefield acceleration (LWFA), might have various applications such as the future ultra-high energy electron collider. Prior to this, additional investigations are needed to ensure, through LWFA, a stable and reproducible generation of electron bunches of high quality, i.e. low transverse and longitudinal emittances.In this thesis, the stability and the reproducibility of the electron self-injection were experimentally investigated in 8-20mm long, dielectric capillary tubes, with an internal radius of 76-89 µm, and filled with pure H2 at an electronic density of de (10 +/- 1.5)x10^18 cm^-3. Electron bunches were produced, at a rate of two shots per minute, with an accelerated charge above 40 MeV of (66+/-7) pC, a mean energy of (65+/-6) MeV, a divergence of (9+/-1) mrad, and a pointing fluctuation of 2.3 mrad. Three sources were identified for the fluctuations and drifts of the electron bunch properties: laser energy drift, change of the electron number density upramp, and laser pointing fluctuations. Restrictions on the operating regime were proposed in order to improve the stability and the reproducibility of the laser-plasma electron source.An alternative mechanism of electron injection into the plasma wave was also investigated: the ionization-induced injection. An experimental study demonstrated that electron bunches generated in a mixture of 99%H2 + 1%N2 have twice more accelerated charge than in the case of pure H2. Moreover, the earlier onset of electron injection was observed for the mixture 99%H2 + 1%N2, indicating that the first electrons were trapped under the mechanism of ionization-induced injection. Particle-In-Cell simulations performed with the code WARP confirm the experimental results and suggest that the self-injection was inhibited by the ionization-induced injection.


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