Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages

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1 B. S. Paradkar 1 , G. Maynard 1 , B. Cros 1 A. Chancé 2 , P. Mora 3 M. Grech 4 , K. Riconda 4 1 LPGP, ORSAY 2 SACM/LEDA, Saclay 3 CPHT, X-Palaiseau 4 LULI, X-Palaiseau MODÉLISATION DE L’ACCÉLÉRATION LASER PLASMA MULTI-ÉTAGES
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Modélisation de l’accélération laser plasma multi-étages. B. S. Paradkar 1 , G. Maynard 1 , B. Cros 1 A. Chancé 2 , P. Mora 3 M. Grech 4 , K. Riconda 4 1 LPGP , ORSAY 2 SACM/LEDA , Saclay 3 CPHT , X-Palaiseau 4 LULI , X-Palaiseau. Plan. Projet CILEX Physique et modélisation de l’ALP - PowerPoint PPT Presentation

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  • *B. S. Paradkar1 , G. Maynard1, B. Cros1A. Chanc2, P. Mora3M. Grech4, K. Riconda4

    1LPGP, ORSAY2SACM/LEDA, Saclay3CPHT, X-Palaiseau4LULI, X-Palaiseau

    MODLISATION DE LACCLRATION LASER PLASMA MULTI-TAGES

    Roscoff octobre 2013

  • PlanProjet CILEXPhysique et modlisation de lALPRsultats tage acclrateurTravaux en cours sur injecteurConclusions *

    Roscoff octobre 2013

  • 11 laboratoires (200 personnes) X:LULI, LLR, CPhT; UPS:LAL, LPGP, LUMAT; IOGS:LCFIO, CEA: IRAMIS/SPAM, IRFU/SACM; ENSTA: LOA; SOLEIL15 M (quipement) + 5 M (fonctionnement) (2011-2019)Roscoff octobre 2013

    Roscoff octobre 2013

  • Apollon et ses centrales de proximit :un ensemble unique dinstallations laserRoscoff octobre 2013IRAMIS/SPAM/UHI100, 2,5 J, 100 TW, 25 fsUPS/LUMAT/LASERIX 10J, 35 fs

    ENSTA/LOA : Salle Jaune2 x 60 TW, 30 fs

    X/LULI : ELFIE, multi-faisceaux100 J 100fs -> ns

    Apollon 10P : 10 PW + 1 PW + sonde + long (ns)

    Roscoff octobre 2013

  • APOLLON sera implant sur le site ALS de lOrme des merisiers (CEA-Saclay)*F1: Faisceau 10PW : 150 J, 15 fs 10 ps, 400 mmF2 : Faisceau 1PW : 15 J, 15 200 fs, 140 mmF3 : Faisceau ns: 300 J max, 1 ns, 140 mm. F4 : Faisceau sonde: 250 mJ < 20 fs, 100 mm3 salles radio-protges:

    Salle laserSalle longue focaleSalle courte focale1500 m2

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  • 4 thmatiques principales sont dveloppes dans le cadre du CILEXRoscoff octobre 2013 Lacclration dlectrons Laser-Plasma (100 GeV) B. Cros Sources de rayonnement EUV, X, Gamma. Ph. Zeitoun, F. Qur Acclrations ions (100 MeV) J. FuchsPhysique des champs forts (1024 W/cm2), A. Di-Piazza

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  • 3 phases de dveloppements pour lacclration lectronsRoscoff octobre 20132013-2015 : travaux exprimentaux et de modlisation prparatoires lamnagement salle longue focale 2015-2016 : premiers tests acclration lectron configuration simple 2016-2017 : dmarrage de ltude exprimentale dun acclrateur 2 tages

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  • Lacclration plusieurs tages doit permettre datteindre de trs grandes nergiesContraintes pour un tage :Linjection dlectrons doit tre limite une faible zone (affiche Rmi Lehe) Longueur de Rayleigh -> guidage -> faiblement non-linaire Longueur de dpltion -> lintensit laser dpend de z Longueur de dphasage -> le paquet dlectrons ne reste pas dans la position optimaleLe gain en nergie dpend de la densitRoscoff octobre 2013

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  • Quelques ordres de grandeur de paramtres physiques Roscoff octobre 2013

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  • Modlisation ALP : problme multi-chelles spatial et temporel dans un espace 7 dimensionsRoscoff octobre 2013CHAMP E.M.ELECTRONS.Densit de chargeset de courantsMAXWELL.VLASOV3D+t.6D+t

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  • Mthodes numriques et modles physiques doivent tre optimiss pour les domaines traitsNumriques :Vlasov -> PIC HPC fentre glissante Boosted Frame (WARP, J.L. Vay)PhysiqueRduire dimensionnalit (R-Z, R-Z-exp(im)) (Calder-circ)Sparation HF(laser), BF(enveloppe, plasma) Faiblement non-linaire (pas de pigeage)Approximation quasi-statique -> WAKE (P.Mora, T.M.Antonsen : PoP 4 (1997) -> tage acclrateurRoscoff octobre 2013

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  • Modlisation dun tage acclrateur laser-plasma dans un tube capillaireHaute nergie -> basses densits -> grandes longueurs ( 1m)Guidage du laser par rflexion la surface dun tube dilectrique : relative simplicit de mise en uvre jusqu 1m guidage efficace basse densitDmonstrations exprimentales (10 cm) sur plusieurs installations (B. Cros)

    *

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  • Simulations numriques WAKE-EP(B. Paradkar, PoP 20, 2013)

    Gomtrie 2D-RZ, approximation quasi-statique pour laser, plasma froidTraitement spcifique des lectrons injects (PIC). Leffet de charge despace du faisceau beam loading est inclus). Conditions aux frontires la paroi du dilectriqueIonisation du gazTemps de calcul 0,1 h CPU/cm

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  • *Paquet dlectrons injects:Paquet Gaussien (temps et espace) (50 MeV, 10 fs, 10 m) Distribution en nergie des lectrons -> A. Chanc

    Laser pulse (0 = 0.8 m) : Intensit : 2 4 1018 W/cm2 Waist, W0 : 60 240 m dure (FWHM) :15 132 fs Puissances : 0.1 2.5 PWTube capillaire: verre Couplage optimis Rcap = 1.54 W0Plasma dans tube capillaire: Densit = 1017 cm-3 longueur de-phasage ~ 100 cmP~ 100 mWAKE-EP permet de raliser des tudes paramtriques

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  • La perte de charge est due au champ radial.

    La perte de charge augmente lorsquon se rapproche de la rsonance

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  • Le battement de modes induit une oscillation du champ transverseRoscoff octobre 2013rsonantNon rsonantBattements modes 1-2 la rsonance :

    Champ acclrateur plus grand, mais champ transverse galement plus grand -> perte importante

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  • *Champ radialChamp longitudinalLe battement de modes induit un tat transitoire ayant un fort champ transverse -> pertes leves

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  • La rduction de la dure laser et laugmentation du waist, permet de rduire les pertes

    Roscoff octobre 2013 IL = 4 1018 W/cm2, (FWHM) = 40 fs Priode battement augmente avec le rayon du tubeSaturation de lacclration au-del de la longueur de dphasage (~ 100 cm)> 80% de la charge injecte se retrouve en sortie

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  • *Faisceau avec une faible dispersion en nergie(< 5%) est obtenue aprs 1,5 m dacclrationAcclration > 10 GeV obtenue avec un faisceau largeIL = 4 1018 W/cm2 , (FWHM) = 40 fs

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  • *Le couplage ligne de transport-acclrateur a t ralisinjecteurLigne de transportA. ChancWAKE-EPLaser : a0 = 1.42 T(FWHM) = 40 fs W0 = 100 m

    densit= 1017 cm-3

    Ligne de Transport = 1 m Importance de loptimisation de linjecteur.

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  • Injecteur : code PIC 3D (R-Z- exp(im))Plusieurs schmas possibles. Dans le cadre de CILEX, injection par ionisation en utilisant un mlange de gazCollaboration J.L. Vay utilisation de la suite de codes WARPDveloppement dans le cadre de CILEX dun code PIC ouvert SMILEIRoscoff octobre 2013

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  • Conclusions ILacclration laser-plasma 2 tages est un projet phare du CILEXLes performances attendues du laser Apollon ouvre la voie des nergies > 10 GeV lhorizon 2017-2020La modlisation est un enjeu majeur pour pouvoir optimiser la configuration exprimentaleCette modlisation est dveloppe dans un cadre ouvert, associant des comptences complmentairesElle sappuie sur une bibliothque de modules grs par une sur-couche logiciel, pour sadapter aux problmes poss

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  • Conclusions II WAKE-EP oprationnel. Il a t optimis pour ltage acclrateur, plusieurs benchmarks avec dautres codes sont en coursLes rsultats montrent que le guidage par capillaire permet datteindre des nergies > 10 GeVLinfluence de champs transverses d-focalisants doit tre analyse en dtailsLe couplage ligne de transport-acclrateur est oprationnelProchaine tape : modlisation injecteur : WARP .SMILEI et couplage avec ligne de transportImportance de linvestissement dans HPC

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  • *Resonant pulseNon resonantOscillations in amax due to beating of vacuum modesResonant pulse:Higher mean energy of accelerated beamMore loss of charge Mode beating causes modulations in the transverse intensity profile of the laser.The radial loss of electrons is preceded by transverse modulations in the laser intensity profile .

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  • *Comparison between capillary tube and gas cell

    Laser : a0 = 1.42 , (FWHM) = 40fs, Waist = 240 m

    Plasma density = 1017 cm-3

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