Journées accélérateurs, Roscoff, FRANCE , 9-12 (2005)

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L O A Journées accélérateurs, Roscoff, FRANCE , 9-12 (2005) Laser-plasma accelerators: Status and perspectives Victor Malka LOA, ENSTA – CNRS - École Polytechnique, 91761 Palaiseau cedex, France Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 1/38 170 +/-20MeV 500 pC 6 mrad Gas jet laser Electron beam

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Laser-plasma accelerators: Status and perspectives. Victor Malka LOA, ENSTA – CNRS - École Polytechnique, 91761 Palaiseau cedex, France. laser. Electron beam. 170 +/-20MeV 500 pC 6 mrad. Gas jet. Journées accélérateurs, Roscoff, FRANCE , 9-12 (2005). - PowerPoint PPT Presentation

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L O A

Journées accélérateurs, Roscoff, FRANCE , 9-12 (2005)

Laser-plasma accelerators:

Status and perspectives

Victor Malka

LOA, ENSTA – CNRS - École Polytechnique,91761 Palaiseau cedex, France

Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 1/38

170 +/-20MeV500 pC6 mrad

Gas jet

laser

Electron beam

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CARE / FP6

Particle group

F. EwaldJ. FaureY. GlinecA. LifschitzJ.J. Santos

Laser group

F. BurgyB. MercierJ.Ph. Rousseau

A. Pukhov, University of Dusseldorf, Germany

ELFSPL

Collaborators

E. Lefebvre, CEA/DAM Ile-de-France, FranceP. Mora, CPhT, X, CNRS, France

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E-field max ≈ few 10 MeV /meter (Breakdown) R>Rmin Synchrotron radiation

Classical accelerator limitations

LEP at CERN

27 km

Circle road

31 km

New medium : the plasma

Energy = Length = $$$

≈ PARIS

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Why is a Plasma useful ?

• Plasma is an Ionized Medium High Electric Fields

epz nE ~~w

• Superconducting RF-Cavities : Ez = 55 MV/m

eznE ~

Are Relativistic Plasma waves efficient ?

Ez = 0.3 GV/m for 1 % Density Perturbation at 1017 cc-1

Ez = 300 GV/m for 100 % Density Perturbation at 1019 cc-1

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Tajima&Dawson, PRL79

How to excite Relativistic Plasma waves?

The laser wake field

laser≈ Tp / 2=>Short laser pulse

Laser pulse

F≈-grad I

Electron density perturbation

Phase velocity vepw=vglaser => close to c

Analogy with a boat

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FF≈-grad I

Train of short resonant pulsesLaser envelop modulation

k

k2

How to excite Relativistic Plasma waves?(ii) The laser beat waves

$$$$! 1-2 = p

Linear growth : d(t)=1/4a1a2wpt

=>Homogenous plasmasSaturation : relativistic,

ion motion

Optical demonstration by Thomson scattering :

Clayton et al. PRL 1985,Amiranoff et al. PRL 1992,, Dangor et al. Phys. Scrypta 1990

Chen, Introduction to plasma physics and controlled fusion, 2nd Edition, Vol.1, (1984)

Motivations

Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 6/38

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L O A

electron

Analogy:

t1 t2 t3

e >> >> 1

=> Emax(MeV)=( n/n)(nc/ne)

=>Ldeph.=(0/2)(nc /n e)3/2

Emax=2(n/n) 2mc2

L Deph. =p2

Analogy electron/surfer Motivations

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Motivations

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Few MeV gain

Laser

Injected electronsFew MeV

Injected electrons acceleration with laser :

Wake field , Beat wave

Motivations

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L O A

Electron Acceleration : LBWFElectron spectra indicate an Efield of ≈ 0.7 GV/m

= 100 , e = 6 , laser = 40 µm , e = 40 µm , divergence = 10 mrad

Ele

ctr

on

s

nu

mb

er

exp

eri

men

t

0

100

200

300

400

500

600

0

500

1000

1500

2000

3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 3,8 3,9

Th

eory

Energy (MeV)

d = 1,6%

LULI/LPNHE/LPGP/LSI/IC

Electron gain demonstration Few MeV’s:Kitagawa et al. PRL 1992,Clayton et al. PRL 1993,N. A. Ebrahim et al.,

J. Appl. Phys.1994, Amiranoff et al. PRL 1995

Motivations

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L O A

How to generate an electron beam?Self-modulated Laser Wakefield Scheme

(Andreev et al., Sprangle et al., Antonsen & Mora 1992)

cp

enhances

WavebreakingPc(GW) = 17 02/p

2

Short Pulse Energetic Electronsif then

excites

Modena et al., Nature 1995Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 11/38

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Wave breaking : from waves to particles

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L O A

5-pass Amp. : 200 mJ

8-pass pre-Amp. : 2 mJ

Oscillator : 2 nJ, 15 fs

Stretcher : 500 pJ, 400 ps

After Compression :1 J, 30 fs, 0.8 m,

10 Hz, 10 -7

2 m

Nd:YAG : 10 J

4-pass, Cryo. cooled Amp. :< 3.5 J, 400 ps

Salle Jaune Laser based on CPA

technique

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L O A

z

rayon2 mill.

2 mill.

z

rayon2 mill.

2 mill.

10

5

0

Phase

(ra

dia

ns)

16

5

1Densi

ty (

101

8 c

m-3

)

0

2 1018

4 1018

6 1018

8 1018

1 1019

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Rayon (mm)

Densi

té d

e n

eutr

e (

cm-3

)

The target gas jetDeveloped at the gas jet’s lab

V. Malka et al., RSI (2000)Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 14/38

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L O AS. Semushin & V. Malka , RSI (2001)

Gas Jet Nozzle Design and improvementFor laser plasma studies

D critmm

D exitmm

L optmm

Machexit

N ext cm-3

1 2 6 3.5 18 x 1019

1 3 7 4.75 7.5 x 1019

1 5 10 7 2.7 x 1019

1 10 15 10 0.75 x 1019

0.5 1 4 3.3 16 x 1019

0.5 2 5 5.5 4.5 x 1019

0.5 3 5 6.2 2.1 x 1019

0.5 5 7 9.5 0.7 x 1019

D critmm

D exitmm

L optmm

Machexit

N ext cm-3

Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 15/38

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L O A

10

100

1019 1020E

max (

MeV

)n

e (cm -3)

Emax=4p2mec

2dnn

Tunable electron beam : temperature

Electrons are accelerated by epw

V. Malka et al., PoP (2001)

F/6

106

107

108

109

1010

0 10 20 30 40 50 60 70

# e

lect

rons/

MeV

/sr

W (MeV)

Teff=8.1 MeV

Teff=2.6MeV

detection threshold

Ne=1.5x1019cm-3

Ne=1.5x1020cm-3

INCREASE THE ACCELERATION LENGTH

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Interaction chamber (inside)

Laser beam

electron beam

50 cm

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L O A

Summary of FLWF previous results

Experiments/3D PIC simulations

V. Malka et al., Science, 298, 1596 (2002)

105

106

107

108

109

1010

0 50 100 150 200Energy (MeV)

Detection Threshold

Num

ber

of

ele

ctro

n (

/MeV

/sr)

Emittance is indeed comparable with todays Accelerators

Electron Energy (MeV)

n (

mm

mra

d)

20 40 60

20

40

Ee- = ~ 55 MeV = ~ 3 mm mradn

S. Fritzler et al., PRL 04Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 18/38

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L O A

SMLWF : Multiple e- bunches / FLWF Single e- bunch

V. Malka, Europhysics news, April 2004 (Ps/fs)

Electron bunches

laser

Electric field

Ps

Electron bunch

laserElectron density perturbation

ne/n0-1

Electric field

0

fs

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L O A

700

650

Z/

20

-20

Y/

-20

2 0

X/

Quasi-Monoenergetic Electron Beams

In homogenous plasma : virtual or real?

0 200 400 E, MeV

t=350

t=450

t=550

t=650

t=750

t=850

5 108

1 109Ne / MeV

Time evolution of electron spectrum

monoenergeticelectron beam

VLPL

A.Pukhov & J.Meyer-ter-Vehn, Appl. Phys. B, 74, p.355 (2002)

One stage LPA

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L O A

Experimental Setup : single shot measurement

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L O A

2.0 x 1019cm-3

Divergence = 6 mrad

Spatial quality improvements

6.0 x 1018cm-37.5 x 1018cm-31.0 x 1019cm-3

5.0 x 1019cm-3 3.0 x 1019cm-3

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L O A

From Mono to maxwellian spectra : the bubble regime : optimum when cL p

V. Malka, et al., PoP 2005

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L O A

Charge in [150-190] MeV : (500 ±200) pC

Energy distribution improvements:The Bubble regime

PIC

Experiment

Divergence = 6 mrad

J. Faure et al.,

in Nature 30 septembre 2004Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 24/38

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L O A

Some Applications ...

X-rays:diffractionmedicine

-rays:radiography

MedicineRadiotherapy Proton-therapy

PET

Accelerator Physics

Chemistry

Radiolysis

Electrons and Protonsgenerated byLaser-PlasmaInteractions

+X ray LarmorX ray laser

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L O A

GeV acceleration in two-stages

GeV

Laser Plasma channel

•50-150 TW•~50 fs

Nozzle

Gas-JetLaser

•170±20 MeV•30 fs•10 mrad

•1 J•10 TW•30 fs

•Pulse guiding condition : Δn>1/πre rc2

•Weak nonlinear effects more control : a0 ~ 1-2

•High quality beams : Lb <λp n0<1018 cm-3

rc

Δnn0

Density profile

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L O A

GeV in low plasma density in plasma channel

V. Malka et al., to be published in Royal Society and Phil. Trans.

GeV in low plasma density in plasma channel

n0=8 1016 cm-3, 11 J - 140 TW rc=40 μm, Δn=2 n0

L channel=4 cm 8 cm

12 cm

4

2

3

1

00 800400 1200

dN

/dE

(a.u

.)

Energy (MeV)Electron bunch

Electric field

Electron bunch

Electric field

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L O A

On the ultra short duration benefitfs radiolysis :

H2O (e-s, OH., H2O2, H3O+, H2, H.) e-

Very important for:• Biology• Ionising radiations effects

B. Brozek-Pluska et al., Radiation and Chemistry, 72, 149-159 (2005)**Ar.

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L O A

In collaboration with L. Le-Dain, S. Darbon from CEA Mourainvilier and DAM

Material science: -ray radiography

High resolution radiography of dense object with a low divergence, point-like electron source

Glinec et al., PRL 94 p025003 (2005)Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 29/38

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L O A

-radiography results

A-A' cut

20mm

Cut of the object in 3D

• Spherical hollow object in

tungsten with sinusoidal

structures etched on the

inner part.

Measured Calculated

Source size estimation : 450 um

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L O A

Medical application : Radiotherapy

VHE ELECTRONS

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L O A

Radiation Therapy

Depth in tissue

Photon dose

Photon beams are commonly used for radiation therapy

tumor

tumor

Photon beam

Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 32/38

Page 33: Journées accélérateurs, Roscoff, FRANCE , 9-12 (2005)

L O A

VHE Radiation Therapy

Depth in tissue

VHE dose

Reduced dose in save cellsDeep traitementGood lateral contrast

tumor

tumor

VHE

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L O A

Dose deposition profile in water

Glinec et al., Accepted to Med. Phys.In collaboration with DKFZ (Germany)Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 34/38

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L O A

Laser plasma acceleration has demonstrated•Energy gains of 1 MeV to 200 MeV•E-fields of 1 GV/m to 1000 GV/m•Good e-beam quality : Emittance < 3mm.mrad

•charge at high energy•Quasi monoenergetic

Laser plasma accelerators advantages Provide e-beam with new parameters : shortProvide e-beam with new parameters : high currentProvide e-beam with new parameters : CollimatedCompact and low cost

The laser plasma accelerators status

ゝゝ

ゝゝ

ゝゝ

ゝゝ

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L O A

Laser plasma accelerator:

• enhance stability•electron sources up to ≈ 1 GeV (nC, <1 ps): Guiding or PW class laser systems Single Stage (Pukhov, Mori) (200TW)

•Generate a tunable e-beam• applications of these electron sources •Compact XFEL

Perspectives

Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 36/38

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L O A

Next Step: GeV electron beams (1 stage)

LT 1.0cm

Ldp 1.3cm

E 1.5GeV

After 5 Zr / 7.5 mm

Total charge = 1.1 nC

0

0.5

1

1.5

2

2.5

800 1200 1600 2000Energy (MeV)

f(E) (a.u.)

w020 m 30 fs a0

40.8mP 200TW np 1.5 1018 cm3

P

Pc10

* Gordienko et al, PoP 2005, UCLA group

Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 37/38

Page 38: Journées accélérateurs, Roscoff, FRANCE , 9-12 (2005)

L O A

A revolution is coming…one of the most evolving field in Science, a wonderful tool for academic formation

.. ... ..

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Thanks for your attention !

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Journées accélérateurs, SFP, Roscoff 05 FRANCE 38/38