Thèse en cours

Etude d'une structure avancée d'accélérateurs laser-plasma à faisceau de haute qualité, haute énergie et haute intensité

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Auteur / Autrice : Laury Batista
Direction : Barbara Dalena
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Physique des accélérateurs
Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme
référent : Faculté des sciences d'Orsay

Résumé

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Dans le monde, plus de 33 000 accélérateurs de particules conventionnels sont utilisés pour la recherche scientifique, les applications industrielles et les traitements médicaux. Bien qu'ils puissent produire des faisceaux d'excellente qualité, leurs champs accélérateurs sont limités à quelques dizaines de MV/m ce qui rend ces machines très volumineuses (parfois longues de quelques kilomètres). Parmi les alternatives prometteuses à haut gradient étudiées, on trouve les accélérateurs laser-plasma (ALP) à champ de sillage. Un ALP repose sur le principe suivant : la propagation d'un laser à haute intensité dans un milieu ionisé, appelé plasma, génère une force pondéromotrice, proportionnelle au gradient d'intensité, qui repousse les électrons dans le plasma. L'oscillation de la densité électronique qui en résulte génère des champs de sillage intenses qui peuvent atteindre des centaines de GV/m. Le potentiel des ALP pour créer des sources d'électrons compactes est bien reconnu. De nombreuses organisations étudient les ALP dans le but de réduire considérablement la taille, le coût et l'empreinte des futures installations accélératrices. Le développement et l'exploitation des accélérateurs à plasma sont soutenus et encouragés dans la dernière stratégie européenne du CERN pour la physique des particules (ESPP). Des expériences de pointe, étayées par des simulations, ont démontré qu'il était possible d'obtenir des faisceaux d'électrons de haute qualité. La technologie ALP, étudiée jusqu'à présent essentiellement en laboratoire, devrait pouvoir bientôt passer des expériences d'accélération à des accélérateurs complets avec des applications pratiques et des utilisateurs. Il est donc opportun de renforcer la R&D sur ce sujet dans la conception d'un ALP. Dans ce contexte, le Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (DACM) du CEA/IRFU est en charge, avec le LPGP/CNRS, d'un projet de développement d'un injecteur d'électrons laser-plasma destiné à la collaboration AWAKE du CERN. Cet injecteur doit être capable de produire un faisceau de très bonne qualité (forte charge, faible taille, faible émittance, faible dispersion d'énergie) et de transporter le faisceau jusqu'à la cellule plasma d'AWAKE. La thèse portera sur l'étude physique et numérique des sections d'accélération plasma et des lignes de transfert assurant le transport du faisceau entre les différentes sections accélératrices et vers l'utilisateur final. Le coeur des études portera sur le contrôle de la qualité du faisceau de particules (caractéristiques de taille, de divergence, de dispersion en énergie, …) qui résulte de l'interaction laser-plasma et des champs électromagnétiques appliqués. L'intégration optimale des sections d'accélération et de transport sera alors à déterminer. On cherchera à chaque étape à mettre en évidence les principes fondamentaux permettant d'obtenir les paramètres faisceau optimum, puis à les appliquer aux projets de conception d'ALP dans lesquels le DACM est impliqué. Des optimisations à l'aide d'algorithmes d'apprentissage machine sont également envisagées.