Des faisceaux d’électrons GeV de haute qualité à partir d’un guide d’ondes plasma entièrement optique

Les accélérateurs laser-plasma produisent et exploitent des champs électriques extrêmement puissants, ce qui pourrait permettre de défier les accélérateurs de particules conventionnels de plusieurs kilomètres de long. Malgré cette promesse et après des décennies de développement, cette technologie manque toujours d’une solution pour fournir simultanément une énergie élevée, une grande stabilité et une bonne qualité de faisceau.

Une équipe de scientifiques du groupe UPX du LOA et de l’Institut des sciences Weizmann a trouvé une telle solution, basée sur un guide d’ondes de plasma généré par laser dans une cible gazeuse de forme dense permettant l’injection contrôlée d’électrons dans le champ de sillage accélérateur.

Figure | Vue schématique de l'expérience et des principaux diagnostics. Le laser est divisé en trois faisceaux distincts : P1 – impulsion accélératrice, P2 - impulsion générant le guide d'ondes, et P3 - faisceau sonde. Les deux faisceaux principaux, P1 et P2, sont foca-lisés dans un jet de gaz rectangulaire de 15 mm de long. P2 est focalisé dans la cible par une axiparabole f/4, 2 ns avant P1. P1 est focalisé par un miroir sphérique f/18. Il accélère des paquets d'électrons dont l'énergie est ensuite analysée avec un spectromètre composé d'un aimant dipôle, d'un écran scintillant LANEX et d'une caméra 16 bits (a). Il est finalement atténué pour imager son point focal après interaction (b). P3 traverse le plasma transversa-lement, juste après P1 (c). Il est ensuite envoyé vers un capteur de front d'onde pour mesu-rer le profil de densité transversal.

Ce schéma simple et polyvalent a permis de produire des faisceaux d’électrons au niveau GeV, avec une qualité et une efficacité sans précédent. N’étant pas susceptible aux dommages aux dommages optiques, cet accélérateur peut être utilisé avec des énergies laser et des taux de répétition arbitrairement élevés, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour la réalisation d’accélérateurs de haute énergie ultra-compacts.

Figure | Accélération de faisceaux d'électrons de haute qualité. a, Dix spectres d'électrons à résolution angulaire triés par charge. b, Deux exemples de spectres intégrés angulairement correspondant aux spectres marqués par des lignes bleues et vertes en (a).

Ce travail est publié dans l’article

Kosta Oubrerie, Adrien Leblanc, Olena Kononenko, Ronan Lahaye, Igor A. Andriyash, Julien Gautier, Jean-Philippe Goddet, Lorenzo Martelli, Amar Tafzi, Kim Ta Phuoc, Slava Smartsev, and Cédric Thaury, Controlled Acceleration of GeV Elec-tron Beams in an All-Optical Plasma Waveguide, Light Sci. Appl. 11, 1 (2022).

Archive ouverte HAL.

Plus de détails peuvent être trouvés dans l’article de l’Institut de Physique du CNRS.