Electrons de haute qualité produits par accélération laser plasma pour rayonnement onduleur et laser à électrons libres

High quality laser driven electron beams for undulator and free electron laser radiation

• Auteur / Autrice : Driss Oumbarek Espinos
• Direction : Marie-Emmanuelle Couprie, Ryosuke Kodama
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 27/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Ōsaka University. Faculty of Engineering
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Synchrotron SOLEIL - Laboratory for High Energy Density Sciences (Osaka)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Masaki Kando, Hiroyuki Hama, Yasuhiro Kuramitsu, Yoshio Ueda, Sophie Kazamias, Yasuhiko Sentoku
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Masaki Kando, Hiroyuki Hama, Yasuhiro Kuramitsu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Onduleurs (électricité)

Faisceaux, Dynamique des

Accélérateurs de particules

Accélérateurs d'électrons

Interactions laser-plasma

Lasers à électrons libres

Mots clés libres

Dynamique du faisceaux

Laser à électrons libres (LEL)

Accélération laser-plasma (LPA)

Beam dynamics

Free electron laser (FEL)

Laser plasma acceleration (LPA)

Résumé

Les lasers à électrons libres (LEL) sont sources de rayons X accordables les plus brillantes disponibles. Les LEL visant les basses longueurs d'onde nécessitent de longues installations d'accélération pour fournir les énergies des électrons nécessaires. Les progrès récents dans le domaine de l'accélération laser-plasma (LPA) rendent cette technologie intéressante pour l'utilisation dans des LEL grâce à ses faisceaux femtosecondes avec GeV dans des centimètres. La divergence, la densité d'énergie et la dispersion de l'énergie des faisceaux LPA ne sont pas comparables à celles des faisceaux utilisés dans les LEL. Le transport des faisceaux LPA reste difficile en raison de la grande divergence initiale et de la dispersion de l'énergie. Pour une application LEL, la dispersion de l'énergie doit être adaptée pour atteindre la valeur requise et la divergence du faisceau doit être compensée pour éviter des effets chromatiques et la croissance de l'émittance avec des éléments de focalisation puissants. La ligne COXINEL vise à faire la démonstration d'un LEL basé sur le LPA. La ligne transporte et focalise le faisceau d'électrons à l'onduleur avec de dispositifs magnétiques classiques. Premièrement, un triplet de quadrupôles à gradient variable spécialement conçus (QUAPEVA) compensent la divergence initiale. Le faisceau est transporté dans une chicane magnétique pour la sélection de l'énergie, suivie d'un ensemble de quatre quadrupôles électro-magnétiques pour une focalisation à l'intérieur d'un onduleur. Après l'onduleur, un dipôle «dump» évacue les électrons. Dans cette thèse, la qualification et l'évolution pendant le transport des faisceaux d'électrons produits par LPA pour la génération du LEL sur l'expérience COXINEL est explorée. La source LPA expérimentale a été modélisée par des simulations « Particle in cell » afin de déterminer ses performances. La simulation montre des faisceaux avec des divergences RMS de 2 mrad, des dispersions de l'énergie de 10 % et des énergies de pointe autour de 170 MeV dans les meilleurs cas. L'expérience COXINEL a été conçue pour un faisceau d'électrons de référence dont les paramètres sont capables de produire un rayonnement LEL dans les simulations, mais des écarts entraînent une chute rapide de la puissance LEL ou sa disparition. A chaque campagne expérimentale, les performances du LPA se sont améliorées. Mais, les paramètres du faisceau trouvés à la source sont encore loin du faisceau de référence. Les simulations montrent une dégradation considérable du transport en raison de la divergence et du pointage expérimentaux élevés, mais la ligne COXINEL est toujours capable de transporter la tranche d'énergie de référence sans pertes. En utilisant les diagnostics le long de la ligne COXINEL, l'évolution des paramètres du faisceau ont été suivie. Une forte dégradation du faisceau au cours de l'expérience a été observée en raison de la dégradation du laser à l'usage. Ainsi, le faisceau arrivant à l'onduleur pendant les expériences de recherche LEL présente une émittance plus élevée et une charge plus faible que celle mesurée au spectromètre au début de l'expérience. La divergence du faisceau, la dispersion de l'énergie et le pointage initial se sont avérés être les principales causes de la dégradation du transport. Leurs effets ont été quantifiés par des simulations et confirmés expérimentalement. Ce travail de thèse montre que les caractéristiques des électrons peuvent être mesurées le long de la ligne. A partir de la taille transversale du faisceau mesurée au milieu de la chicane et des équations de transport, l'émittance verticale moyenne RMS de la tranche de référence a été trouvée de 3,2 mm.mrad et la divergence RMS de 2 mrad. La mesure du faisceau au niveau du dipôle «dump» a permis d'observer la charge de la tranche d'énergie de référence à la fin de la ligne. La meilleure valeur moyenne de la charge de tranche était de 0,27 pC. Avec telles valeurs de faisceau qu'aucun LEL ne peut être atteinte.

Particle accelerators are a cornerstone of today science for research and industrial applications. They are used for example for radiation sources such as undulator radiation and free electron laser (FEL), the brightest tunable x-ray sources available. FEL aiming at low wavelengths require of long accelerator facilities (up to km) to provide the electron energies needed. The recent progress in Laser Plasma Acceleration (LPA) makes it attractive for FEL usage thanks to its capacity to produce femtosecond, GeV beams in cm scale distances. However, the LPA beams slice divergence, energy density and energy spread are not on par with the standard beams utilized for FELs. Moreover, LPA beams transport is still challenging due to the large initial divergence and energy spread. In view of a FEL application, the energy spread has to be adapted to reach the required small slice value while the beam divergence has to be controlled to avoid chromatic effects and emittance growth with strong focusing elements. The COXINEL line aims to demonstrate LPA based FEL. The line transports the electron beam from the source to the undulator while compensating the initial divergence, manipulating and focusing the beam at the undulator using classic magnetic devices. Following the electron beam path, a triplet of specially designed variable gradient quadrupoles called QUAPEVA compensate the initial divergence. The beam is transported in a magnetic chicane for energy selection, followed by a set of four electro-magnet quadrupoles for proper focusing inside a cryo-ready undulator. After the undulator a dipole dump evacuates the electrons. In this thesis, the qualification and evolution during transport of the LPA produced electron beams for FEL generation on the COXINEL experiment is explored. The experimental LPA source has been modeled via particle in cell simulations to find the setup performance and generated electron beam parameters dependance on the gas target characteristics. The simulation shows beams with mean RMS slice divergences of 2 mrad, energy spreads of 10 % and peak energies around 170 MeV in the best cases. The experiment was designed for a baseline electron beam parameters that are able to produce FEL radiation in simulations, but deviations from them cause a fast drop in FEL power or completely nullifies it. At each experimental campaign the LPA performance have improved steadily. But, during the multiple experimental campaigns, the beam parameters found at the source are still far from the baseline. Simulations exhibit a considerable degradation of the transport due to the high experimental divergence and pointing but the COXINEL line is still able to transport the reference energy slice without losses. Utilizing the diagnostics along the COXINEL line, the beam parameters evolution has been monitored. A strong beam worsening during experiment has been observed due to laser degradation with use. Thus, the beam arriving at the undulator during the FEL search experiments presents a higher emittance and lower charge than the measured at the spectrometer in the beginning of the experiment. The beam divergence, energy spread and initial pointing have been found to be the main causes of transport degradation. Its effects have been quantified by simulations and confirmed experimentally. This thesis works shows that the electron beam characteristics can be measured along the line. From the beam transverse size measured at the middle of the chicane and transport equations the mean reference slice RMS vertical emittance has been found to be of 3.2 mm.mrad and the RMS divergence 2 mrad. The measurement of the beam at the dipole dump permitted to observe the reference energy slice charge that crossed the undulator. The best mean reference slice charge value was 0.27 pC. The simulation and calculations of radiation with such beam values confirm that no FEL can be reached. Further improvements of the LPA beam are still necessary to achieve FEL.