Controlled electron injection into plasma accelerators and space charge estimates

• Auteur / Autrice : Gwenaël Fubiani
• Direction : Wim Leemans
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Laser

Onde

Résumé

Les accélérateurs à plasma offrent la possibilité de produire des sources d'électrons à la fois ultra-compacte (quelques microns) et de hautes énergies (jusqu'à plusieurs centaines de MeV) sur une distance beaucoup plus courte que les accélérateurs classiques du fait de la présence d'un champ électrique longitudinal intense. La longueur d'onde caractéristique du champ accélérateur est la longueur d'onde plasma qui pour des densités typiquement de l'ordre de 10,e18-10,e19 centimètres cube est de 10-40 micromètres, l'intensité du champ électrique correspondant étant de l'ordre de 10-100 GV/m. La production de faisceaux quasi mono-énergétique fut récemment observée dans un régime de fonctionnement se basant sur l'auto-piégage des électrons du plasma, via l'utilisation d'un faisceau laser unique pour la génération de l'onde de sillage. Dans cette thèse, nous étudions l'injection contrôlée via le battement de deux lasers (le laser pompe créant le champ de sillage et un second faisceau se propageant en direction opposée) qui entraîne une injection localisée des électrons du plasma. Le but de la thèse est de présenter en détail la physique de l'injection optique à deux lasers, les caractéristiques des faisceaux d'électrons produits (la longueur d'onde plasma est typiquement de quelques micromètres permettant ainsi la formation de paquets d'électrons ayant une durée de l'ordre de quelques femtoseconde et même attoseconde) ainsi qu'une estimation des effets de charge d'espace sur la dynamique d'un paquet d'électrons ultra-dense ayant une large dispersion en énergie.

Plasma based accelerators are capable of producing electron sources which are ultra-compact (a few microns) and high energies (up to hundreds of MeVs) in much shorter distances than conventional accelerators. This is due to the large longitudinal electric field that can be excited without the limitation of breakdown as in RF structures. The characteristic scalelength of the accelerating field is the plasma wavelength and for typical densities ranging from 10. E18-10. E19 cubic centimeters, the accelerating fields and scalelength can hence be on the order of 10-100 GV/m and 10-40 micrometers, respectively. The production of quasi monoenergetic beams was recently obtained in a regime relying on self-trapping of background plasma electrons, using a single laser pulse for wakefield generation. In this dissertation, we study the controlled injection via the beating of two lasers (the pump laser pulse creating the plasma wave and a second beam being propagated in opposite direction) which induce a localized injection of background plasma electrons. The aim of this dissertation is to describe in detail the physics of optical injection using two lasers, the characteristics of the electron beams produced (the micrometer scale plasma wavelength can result in femtosecond and even attosecond bunches) as well as a concise estimate of the effects of space charge on the dynamics of an ultra-dense electron bunch with a large energy spread.