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Page 1: Modélisation de l’accélération laser plasma  multi-étages

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B. S. Paradkar1 , G. Maynard1, B. Cros1

A. Chancé2, P. Mora3

M. Grech4, K. Riconda4

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

MODÉLISATION DE L’ACCÉLÉRATION LASER PLASMA MULTI-ÉTAGES

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Plan

Projet CILEX Physique et modélisation de l’ALP Résultats étage accélérateur Travaux en cours sur injecteur Conclusions

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

Roscoff octobre 2013

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Apollon et ses centrales de proximité :un ensemble unique d’installations laser

Roscoff octobre 2013

IRAMIS/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)

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APOLLON sera implanté sur le site ALS de l’Orme des merisiers (CEA-Saclay)

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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 mm

3 salles radio-protégées:

-Salle laser-Salle longue focale-Salle courte focale

1500 m2

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4 thématiques principales sont développées dans le cadre du CILEX

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L’accélération d’électrons Laser-Plasma (100 GeV) B. Cros

Sources de rayonnement EUV, X, Gamma. Ph. Zeitoun, F. Quéré

Accélérations ions (100 MeV) J. Fuchs Physique des champs forts (1024 W/cm2), A. Di-Piazza

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3 phases de développements pour l’accélération électrons

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2013-2015 : travaux expérimentaux et de modélisation préparatoires à l’aménagement salle longue focale

2015-2016 : premiers tests accélération électron configuration simple

2016-2017 : démarrage de l’étude expérimentale d’un accélérateur 2 étages

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L’accélération à plusieurs étages doit permettre d’atteindre de très grandes énergies

Contraintes pour un étage :L’injection d’électrons doit être limitée à une faible

zone (affiche Rémi Lehe) Longueur de Rayleigh -> guidage -> faiblement non-

linéaire Longueur de déplétion -> l’intensité laser dépend de

z Longueur de déphasage -> le paquet d’électrons ne

reste pas dans la position optimaleLe gain en énergie dépend de la densité

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Quelques ordres de grandeur de paramètres physiques

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18GeV/cmE n

: µm 1µ 18 218 : 10 W/cmI I 18 3

18 : 10 cm 40mbaren n

18

33 µmp n

18

100 fsp n

3,3 fsL µT / 2 5P L LT 10L µw

2max 18GeV 0.7 /E n

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Modélisation ALP : problème multi-échelles spatial et temporel dans un espace à 7 dimensions

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CHAMP E.M.

ELECTRONS.

Densité de chargeset de courants

MAXWELL.

VLASOV

3D+t.

6D+t

6/ 10cibleL 6/ 10cible LT T 8/ 10beam PE E

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Méthodes numériques et modèles physiques doivent être optimisés pour les domaines traités

Numériques :Vlasov -> PIC HPC fenêtre glissante ‘ Boosted Frame‘ (WARP, J.L. Vay)

PhysiqueRéduire dimensionnalité (R-Z, R-Z-exp(im)) (Calder-circ)Séparation HF(laser), BF(enveloppe, plasma) Faiblement non-linéaire (pas de piégeage)

o Approximation quasi-statique -> WAKE (P.Mora, T.M.Antonsen : PoP 4 (1997) -> étage accélérateur

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Modélisation d’un étage accélérateur laser-plasma dans un tube capillaire

Haute énergie -> basses densités -> grandes longueurs ( 1m)

Guidage du laser par réflexion à la surface d’un tube diélectrique :

relative simplicité de mise en œuvre jusqu’à 1m guidage efficace à basse densité Démonstrations expérimentales (10 cm) sur plusieurs

installations (B. Cros)

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

Géométrie 2D-RZ, approximation quasi-statique pour laser, plasma froid

Traitement spécifique des électrons injectés (PIC).

L’effet de charge d’espace du faisceau ‘beam loading’ est inclus).

Conditions aux frontières à la paroi du diélectrique

Ionisation du gaz

Temps de calcul 0,1 h CPU/cm

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Paquet d’électrons injectés:Paquet Gaussien (temps et espace) (50 MeV, 10 fs, 10 μm) Distribution en énergie des électrons -> A. Chancé

Laser pulse (λ0 = 0.8 μm) : Intensité : 2 − 4 ×1018 W/cm2

Waist, W0 : 60 − 240 μm durée (FWHM) :15 − 132 fs Puissances : 0.1 − 2.5 PW

Tube capillaire: verre Couplage optimisé Rcap = 1.54 W0

Plasma dans tube capillaire: Densité = 1017 cm-3

longueur de-phasage ~ 100 cmP~ 100 μm

WAKE-EP permet de réaliser des études paramétriques

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La perte de charge est due au champ radial.

La perte de charge augmente lorsqu’on se rapproche de la résonance

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Le battement de modes induit une oscillation du champ transverse

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résonant Non résonant

Battements modes 1-2

à la résonance :

Champ accélérateur plus grand, mais champ transverse également plus grand -> perte importante

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Champ radial

Champ longitudinal

Le battement de modes induit un état transitoire ayant un fort champ transverse -> pertes élevées

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La réduction de la durée laser et l’augmentation du waist, permet de réduire les pertes

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IL = 4 × 1018 W/cm2, Τ(FWHM) = 40 fs Période battement augmente avec le rayon du tube

Saturation de l’accélération au-delà de la longueur de déphasage (~ 100 cm)

> 80% de la charge injectée se retrouve en sortie

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Faisceau avec une faible dispersion en énergie(< 5%) est obtenue après 1,5 m d’accélération

Accélération > 10 GeV obtenue avec un faisceau large

IL = 4 × 1018 W/cm2 , Τ (FWHM) = 40 fs

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Le couplage ligne de transport-accélérateur a été réalisé

injecteur Ligne de transportA. Chancé

WAKE-EP

Laser : a0 = 1.42 T(FWHM) = 40 fs W0 = 100 μm

densité= 1017 cm-3

Ligne de Transport = 1 m

Importance de l’optimisation de l’injecteur.

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Injecteur : code PIC 3D (R-Z- exp(im))

Plusieurs schémas possibles. Dans le cadre de CILEX, injection par ionisation en utilisant un mélange de gaz

Collaboration J.L. Vay utilisation de la suite de codes WARP

Développement dans le cadre de CILEX d’un code PIC ouvert SMILEI

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Conclusions I

L’accélération laser-plasma à 2 étages est un projet phare du CILEX

Les performances attendues du laser Apollon ouvre la voie à des énergies > 10 GeV à l’horizon 2017-2020

La modélisation est un enjeu majeur pour pouvoir optimiser la configuration expérimentale

Cette modélisation est développée dans un cadre ouvert, associant des compétences complémentaires

Elle s’appuie sur une bibliothèque de modules gérés par une sur-couche logiciel, pour s’adapter aux problèmes posés

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Conclusions II

WAKE-EP opérationnel. Il a été optimisé pour l’étage accélérateur, plusieurs benchmarks avec d’autres codes sont en cours

Les résultats montrent que le guidage par capillaire permet d’atteindre des énergies > 10 GeV

L’influence de champs transverses dé-focalisants doit être analysée en détails

Le couplage ligne de transport-accélérateur est opérationnel

Prochaine étape : modélisation injecteur : WARP ….SMILEI et couplage avec ligne de transport

Importance de l’investissement dans HPC

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Resonant pulseNon resonant

Oscillations in amax due to beating of vacuum modes

Resonant 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 , τ (FWHM) = 40fs, Waist = 240 μm

Plasma density = 1017 cm-3