Rayonnement bétatron dans l'accélération à champ de sillage du plasma piloté par faisceau et instabilités faisceau-plasma ultra-relativistes

Betatron radiation in beam-driven plasma wakefield acceleration and ultra-relativistic beam-plasma instabilities

• Auteur / Autrice : Pablo San Miguel
• Direction : Sébastien Corde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau) - Laboratoire d'optique appliquée
• Jury : Président / Présidente : Caterina Riconda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Corde, Jorge Vieira, Fabien Dorchies, Victor Malka, Olle Lundh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jorge Vieira, Fabien Dorchies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs de plasma

Optique physique

Mots clés libres

Plasma

Electrons

Accélérateurs

Instabilités

Accelerators

Electrons

Plasma

Instabilities

Résumé

Une grande variété de processus physiques peut survenir dans l'interaction d'un faisceau de particules relativistes avec des plasmas. Dans la plupart de ces processus, la réponse collective du plasma à la charge et au courant du faisceau peut agir comme un mécanisme efficace pour transformer l'énergie du faisceau en champs électromagnétiques de grande amplitude. Avoir une bonne compréhension de ces mécanismes permet d'une part de développer de nouvelles techniques expérimentales basées sur ces champs, et d'autre part d'améliorer les modèles astrophysiques où des mécanismes similaires jouent un rôle important. Ce manuscrit se concentre sur deux de ces processus et les expériences programmées à l'installation de l'accélérateur FACET-II : l'excitation de l'onde de sillage plasma et les instabilités faisceau-plasma.La technique d'accélération par champ de sillage piloté par faisceau est aujourd'hui l'une des alternatives les plus prometteuses aux accélérateurs conventionnels. Avec des gradients d'accélération jusqu'à quatre ordres de grandeur plus importants que dans une cavité RF, cette technique pourrait réduire considérablement la taille et le coût des accélérateurs de particules à haute énergie. Pourtant, plusieurs étapes expérimentales doivent être franchies pour démontrer que le concept PWFA peut fonctionner au niveau requis de reproductibilité et de contrôle et qualité du faisceau pour des applications sociétales, industrielles et de physique de hautes energies. Dans ce manuscrit, nous proposons via des simulations une nouvelle méthode non destructive basée sur le rayonnement pour diagnostiquer des dynamiques transverses du faisceau dans une onde de sillage non linéaire qui sont préjudiciables à la qualité du faisceau accéléré.Les instabilités faisceau-plasma sont souvent étudiées dans des systèmes non bornés. Dans la limite ultra-relativiste, la soi-disant "instabilité oblique" est censée médier le stade précoce de l'interaction. Dans ce manuscrit, les effets des frontières du système sur les modes obliques instables sont étudiés, à savoir une nouvelle théorie spatio-temporelle est développée. Les répercussions sur les systèmes expérimentaux visant à étudier ces processus sont discutées. Enfin, une plate-forme laser pour étudier les instabilités de flux de plasma est présentée avec des résultats expérimentaux.

A large variety of physical processes can arise in the interaction of a relativistic particle beam with plasmas. In most of these processes the collective plasma response to the beam's charge and current can act as efficient mechanisms to transform the beam energy into large amplitude electromagnetic fields. Having a good understanding of these mechanisms allows on the one hand to develop new experimental techniques based on these fields, and on the other hand to improve the astrophysical models where similar mechanisms play an important role. This manuscript focuses on two of those processes and the programmed experiments at the FACET-II accelerator facility: plasma wakefield excitation and beam-plasma instabilities.The beam-driven plasma wakefield acceleration technique is now-a-days one of the most promising alternatives to conventional accelerators. With acceleration gradients up to four orders of magnitude larger than in an RF-cavity, this technique could significantly reduce the size and cost of high energy particle accelerators. Yet, several experimental milestones need to be achieved to demonstrate that the PWFA concept can perform at the required level of reproducibility and beam control and quality for societal, industrial and high energy physics applications. In this manuscript we propose via simulations a new non-destructive radiation-based method to diagnose beam transverse dynamics in a non-linear PWFA stage that can be detrimental for the accelerated beam quality.The beam-plasma instabilities are often studied in unbounded systems. In the ultra-relativistic limit, the so-called "oblique instability" is though to mediate the early stage of the interaction. In this manuscript the effects of the system boundaries on the oblique unstable modes are studied, namely a novel spatiotemporal theory is developed. Repercussion on experimental systems aiming to study these processes are discussed. Finally, a laser-based platform to study plasma streaming instabilities is presented together with experimental results.