Image du faisceau d'électrons à la sortie de l'étage accélérateur plasma, projetée sur ses quatre espaces de phase typiques, où l'on peut voir : a) et b) taille et divergence horizontales et verticales, c) énergie, longueur du paquet, d) tailles horizontale et verticale.
Avec sa compétence reconnue en physique du faisceau de particules accélérées, autant pour les techniques d'accélération radiofréquence que celles basées sur les plasmas, une équipe de l'Irfu/DACM vient de finaliser le design d'un accélérateur laser-plasma pouvant servir d'injecteur à l'expérience AWAKE 2 du CERN. Des simulations massives sur ordinateur (2 millions d'heure de temps CPU) ont permis de trouver une solution technique pour délivrer un faisceau d'électrons de 200 MeV avec des exigences de charge (100 pC) et de qualité faisceau (émittance, dispersion en énergie) jamais encore demandées. Cet accélérateur est envisagé comme une alternative à un accélérateur radiofréquence conventionnel qui permet de concevoir un accélérateur beaucoup plus compact.
Les résultats de cette éude viennent d'être publiés :S. Marini et al., Beam physics studies for a high charge and high beam quality laser-plasma accelerator, Phys. Rev. Accel. Beams 27, 063401 (2024)
L'accélération par le champ électrique intense produit dans le sillage d'un laser de puissance se propageant dans un plasma, est une technique prometteuse qui permet de concevoir un accélérateur jusqu'à 100 fois plus court que les accélérateurs radiofréquence conventionnels. Mais pour passer d'une expérience de physique à un accélérateur fonctionnel, il faut en plus que le faisceau accéléré réponde aux exigences de qualité bien précise, non seulement à la sortie du plasma mais aussi au niveau de l'utilisateur.
L'expérience AWAKE 2 (Advanced Proton Driven Plasma Wakefield Acceleration Experiment) du CERN requiert l'injection d'un faisceau d'électrons de 200 MeV, avec des exigences de charge, de taille de faisceau, et de pureté énergétique jamais encore demandées à un accélérateur laser-plasma. De plus, les contraintes liées à l'environnement de l'expérience imposent l'utilisation d'une ligne de transport de faisceau en forme de S, menaçant de dégrader fortement la qualité du faisceau.
Vue d'ensemble de l'accélérateur laser-plasma pouvant servir d'injecteur à CERN-AWAKE 2.
Pour relever ces nombreux défis, une stratégie précise a été adoptée, s'appuyant sur une étude intégrée de la physique du faisceau, assignant des rôles spécifiques à chaque partie de l'accélérateur. Des simulations massives sur ordinateur (2 millions d'heure de temps CPU) ont ensuite permis de trouver une solution avec :
- un laser de 30 térawatts (30 1012 watts), un plasma de 7 mm de long doté de 3 étages avec des compositions gazeuses et de profils de densité spécifiques, et une ligne de transport de 8m de long avec 2 dipôles, 11 quadrupôles et 4 sextupôles.
Cette solution est considérée comme une alternative à la solution de référence qui repose sur un accélérateur conventionnel.
Ce travail s'est déroulé dans le cadre d'une collaboration entre l'Irfu/DACM, le CNRS-LPGP (Laboratoire des Gaz et des Plasmas), THALÈS-Laser et CERN-AWAKE
Contacts : Samuel MARINI, Phu-Anh-Phi NGHIEM
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• Physique et technologie des accélérateurs
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