Efficacité énergétique et qualité de faisceau dans un accélérateur de positrons à base de plasma dans un régime quasi-linéaire

Efficiency and beam quality in a loaded quasi-linear plasma wakefield positron accelerator

• Auteur / Autrice : Céline Hue
• Direction : Stéphane Sebban, Sébastien Corde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau)
• Jury : Président / Présidente : Victor Malka
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Sebban, Sébastien Corde, Félicie Albert, Emmanuel d' Humières, Xavier Davoine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Félicie Albert, Emmanuel d' Humières

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions électron-positon

Accélérateurs de plasma

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Accélération de particules

Plasmas

Positron

Plasma

Particle acceleration

Positron

Résumé

L'accélération des particules à base de plasma est un concept prometteur pour dépasser les limites des accélérateurs conventionnels. Ils promettent le développement d'accélérateurs de particules plus compacts et abordables et ont un grand potentiel pour repousser encore plus loin la frontière énergétique de la physique des particules. Au cours des dernières décennies, des progrès substantiels ont été accomplis dans l'accélération des électrons à l'aide d'accélérateurs à plasma dans le régime non linéaire de la bulle/d’expulsion. Cependant, l'accélération du positron est considérablement plus difficile que son homologue électronique en raison du champ de dé-focalisation dans le régime non linéaire qui conduit à une importante perte de particules et à une dégradation de la qualité du faisceau. Cette thèse examine la possibilité d'accélérer des positrons dans le schéma d'accélération plasma pilotée par faisceau de particules (en anglais Plasma WakeField Accelerator - PWFA) dans le régime quasi-linéaire, où le faisceau pilote excite une onde de plasma quasi-linéaire tout en perdant de l'énergie, et un faisceau témoin peut être accéléré s'il est situé à un emplacement approprié de l’onde de sillage. Dans mes recherches, la dynamique du faisceau, la préservation de la qualité du faisceau ainsi que l'évolution des champs de sillage sont étudiées quantitativement pour la première fois dans le contexte de l'accélération de positrons dans un schéma PWFA quasi-linéaire. Quatre aspects critiques du problème sont étudiés. Des simulations utilisant le code QuickPIC quasi-statique sont effectuées. Le post-traitement et la visualisation scientifique sont utilisés pour analyser les résultats de simulation. Les modèles théoriques développés sont également comparés aux résultats de simulation.Le premier aspect est l'évolution du faisceau pilote et la stabilité des champs de sillage. Nous avons observé qu'il est en réalité très difficile de conserver des champs de sillage stable en régime quasi-linéaire, pour la distance de propagation souhaitée, à savoir la longueur typique sur laquelle le faisceau pilote transfère l'essentiel de son énergie à l'onde plasma. Pour un seul paquet se propageant dans le plasma, les champs de sillage passent rapidement en régime non linéaire d’expulsion pour des faisceaux de faible émittance, tandis que la majorité des particules du paquet diverge rapidement pour des faisceaux de forte émittance. Nous avons montré que des paramètres bien optimisés sont nécessaires pour que les champs de sillage se stabilisent dans un régime quasi-linéaire. Deuxièmement, nous avons établi un modèle théorique de l'efficacité du transfert d'énergie pour les faisceaux gaussiens 3D. Ce modèle permet de calculer l'efficacité du transfert d'énergie et fournit des résultats en bon accord avec les simulations QuickPIC. Ensuite, nous avons étudié l'évolution de la qualité du faisceau transverse pour un faisceau témoin se propageant dans un champ de sillage quasi-linéaire fixe et nous avons montré que pour un faisceau guidé dans un champ de sillage de focalisation stable, un état d'équilibre est atteint avec une évolution lente du faisceau et une croissance négligeable de l’émittance. Enfin, l'évolution de la qualité du faisceau longitudinal pour un faisceau témoin se propageant dans des champs de sillage quasi-linéaires fixes a été étudiée, et un paramètre de dégradation de la qualité longitudinale du faisceau a été défini pour analyser la croissance potentielle de la dispersion relative en énergie non corrélée. Par rapport à la croissance de l'émittance, la qualité longitudinale du faisceau se dégrade de manière plus critique pendant la propagation du faisceau en raison d’un champ électrique longitudinal non uniforme, et nous avons montré que cela impose les limites les plus restrictives, que ce soit en termes de charge ou d'efficacité énergétique qui peuvent être atteintes dans un accélérateur PWFA en régime e sillage plasma quasi-linéaire.

In high energy physics, high quality particle beams are required to produce more collision events between particles. Plasma-based particle acceleration is a promising concept to overcome the limits of conventional accelerators. They hold the promise of the development of more compact and affordable particle accelerators and have great potential to push the energy frontier of particle physics even further. In the last decades, substantial progress has been made in electron acceleration using plasma-based accelerators in the non-linear bubble/blow-out regime where an ion cavity is formed where the main electron beam can be accelerated while being focused, and the beam quality can be preserved while accelerated. However, positron acceleration is considerably more challenging than its electron counterpart due to the de-focusing field in the non-linear regime that leads to large beam loss and beam quality degradation. This thesis examines the practicality of positron acceleration in the particle beam-driven plasma acceleration scheme (Plasma WakeField Accelerator - PWFA) in the quasi-linear regime, where a drive particle bunch excites a quasi-linear plasma wave while losing energy and a witness beam can be accelerated if located at an appropriately chosen location of the wakefield. As high quality beams are required for application to colliders, it is essential to have a way to limit beam quality degradation. In my research, the beam dynamics, beam quality preservation as well as the evolution of wakefield are quantitatively studied for the first time in the context of positron acceleration in quasi-linear PWFA scheme. Four critical aspects of the problem are studied. Simulations using quasi-static the particle-in-cell code QuickPIC are performed. Post-processing and scientific visualization are written to analyze the simulation. Theoretical models developed in this research are also compared with the simulation results.The first aspect is the driver evolution and the wakefield stability. We have observed that, it is actually difficult to keep a stable quasi-linear wakefield for the desired propagation distance, namely the depletion length, that is the typical length over which the driver transfers most of its energy to the plasma wave. For a single bunch propagating in the plasma, the wakefield that it generates quickly changes into a blow-out regime for low emittance beams, or the majority of the beam particle diverges rapidly for high emittance beams. The beam goes over a quick evolution at the beginning of the propagation and stabilizes in a quasi-steady state with relatively slow evolution, that we will refer to as the equilibrium. We have found that properly optimized parameters are required for the wakefield to stabilize in a quasi-linear regime. Secondly, we have established a theoretical model for the energy transfer efficiency for 3D Gaussian beams, a key parameter for a particle collider. This model allows to calculate the energy transfer efficiency and provides results in good agreement with QuickPIC simulations. Then, we have studied the transverse beam quality evolution for a witness beam propagating in a fixed quasi-linear wakefield and it shows that, for a guided beam in a stable focusing wakefield, an equilibrium state is reached with only slow beam evolution and negligible emittance growth. Finally, longitudinal beam quality evolution for a witness beam propagating in a fixed quasi-linear wakefield was studied, where a beam longitudinal quality degradation parameter has been defined to analyze the potential growth of uncorrelated relative energy spread. Compared to the emittance growth, the beam longitudinal quality degrades more dramatically during the beam propagation due to the non-uniform longitudinal electric field, and we have found that this poses the most important limits in term of charge and energy efficiency that can be achieved in a quasi-linear plasma wakefield accelerator.