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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
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
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)
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
4 thématiques principales sont développées dans le cadre du CILEX
Roscoff octobre 2013
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
3 phases de développements pour l’accélération électrons
Roscoff octobre 2013
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
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
Roscoff octobre 2013
Quelques ordres de grandeur de paramètres physiques
Roscoff octobre 2013
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
Modélisation ALP : problème multi-échelles spatial et temporel dans un espace à 7 dimensions
Roscoff octobre 2013
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
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
Roscoff octobre 2013
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
La perte de charge est due au champ radial.
La perte de charge augmente lorsqu’on se rapproche de la résonance
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
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.
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
Roscoff octobre 2013
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
Roscoff octobre 2013
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