Accélération d'électrons par sillage laser-plasma

Laser wakefield acceleration of electrons

• Auteur / Autrice : Lewis Dickson
• Direction : Brigitte Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patric Muggli, Laura Corner, Emmanuel d' Humières
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patric Muggli, Laura Corner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage automatique

Optimisation mathématique

Diagnostics de plasma

Interactions laser-plasma

Accélérateurs d'électrons

Mots clés libres

Sillage laser plasma

Accélération d’électrons

Expériences laser plasma

Optimisation numérique

Diagnostic plasma

Laser plasma wakefield

Electron acceleration

Laser plasma experiments

Optimisation by machine learning

Plasma diagnostic

Résumé

L'accélération par sillage laser plasma fournit des gradients accélérateurs plusieurs ordres de grandeur au dessus de ceux des accélérateurs actuels, mais la stabilité et la qualité des faisceaux d'électrons accélérées doivent être améliorées. Ce travail est centré sur l'étude d'injecteurs laser-plasma (LPI) à basse (150 MeV) et haute énergie (1 GeV) créés en cellule de gaz. Des outils expérimentaux et numériques ont été développés pour l'optimisation et le diagnostic de l'interaction laser-plasma. Une nouvelle méthode de mesure monocoup de la densité plasma en cellule de gaz a été mise au point et utilisée. Des méthodes d'intelligence artificielles ont été mises en oeuvre pour l'automatisation, le diagnostic et l'optimisation d'une expérience de sillage laser plasma. Les effets du front d'onde du laser, de la position focale, et de la densité du plasma ont été mesurés et comparés à des simulations. Des profils laser réalistes, utilisés comme données d'entrée, ont permis d'améliorer fortement la précision des simulations et d'expliquer l'impact de l'asymétrie du laser sur les propriétés des électrons. Une expérience de qualification utilisant une cellule à gaz dans la zone focale longue de l'installation laser Apollon a permis d'obtenir des électrons jusqu'au GeV. Une deuxième campagne a permis d'améliorer la stabilité et la qualité des faisceaux d'électrons jusqu'à 1.8 GeV.

Laser Wakefield Acceleration (LWFA) provides orders of magnitude higher accelerating gradients than current accelerator designs, but the stability and quality of the accelerated electron bunches require improvement. This work focuses on the development of low (150 MeV) and high energy (1 GeV) laser-plasma injectors (LPI) in gas cells. Experimental and numerical tools have been developed for the optimisation and diagnosis of the laser-plasma interaction. A novel method for single-shot plasma density measurement in a gas cell was developed and implemented. Bayesian optimisation and automation of an LWFA experiment were completed. The effect of laser wavefront and focal position and plasma density in a low-energy LPI were explored experimentally and compared to simulations. Realistic laser profiles were used as input data and shown to explain otherwise overlooked effects on electron properties arising from laser asymmetry. The first gas cell experiment in the long focal area of the Apollon laser facility achieved electron bunches with energy up to 1 GeV. A second experiment at Apollon was performed leading to 1.8 GeV electrons with improved stability and quality.