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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-21-0462

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique des plasmas et interactions laser-matière / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

Conception d'un injecteur de haute précision pour les accélérateurs laser-plasma du futur

RÉSUMÉ DU SUJET

Un des principaux défis que la communauté des accélérateurs doit actuellement affronter est de réduire la taille des accélérateurs de particules pour réaliser la prochaine génération de collisionneur électron-positon d'énergie TeV. Un candidat prometteur à cet égard est le laser Wakefield Accelerators (LWFA) produit par la focalisation d'un laser de très haute puissance sur un jet de gaz. Ces accélérateurs peuvent fournir des gradients d'accélération élevés de 100 GV/m et ont déjà montré la possibilité d'accélérer des électrons à des énergies de 10 GeV sur une distance de l'ordre du cm.

Cependant, d'importantes limitations doivent levées avant d'autoriser l'utilisation des LWFA comme dispositifs médicaux, ou pour construire des collisionneurs compacts électron/positron à haute énergie et des sources lumineuses de type X-FEL (X-ray Free Electron Lasers). Un obstacle majeur de ces accélérateurs est notamment leur faible charge à haute énergie (10 pC / paquet de charges, au-dessus de 4 GeV), très en dessous de la charge qu'ils pourraient supporter (jusqu'à 50 nC) ou de celles obtenues avec les accélérateurs RF conventionnels (> nC / paquet). Dans ces conditions, la construction d'un collisionneur basé sur la technologie LWFA exigeant un nombre élevé de collisions et donc une charge beaucoup plus élevée nécessiterait une mise à niveau des taux de répétition des lasers multi-TeraWatt ou PetaWatt de 1 Hz à des dizaines de kHz, pour atteindre des courants moyens beaucoup plus élevés. Ceci est encore au-delà de la technologie laser actuelle. Des solutions pour augmenter la charge à haute énergie avec les techniques d'injection actuelles ont été proposées (par exemple, en utilisant un étage de pré-injection à haute densité de gaz couplé à un second étage d'accélération à faible densité avec transport de faisceau intermédiaire). Cependant, l'augmentation de la charge à 1-10nC à haute énergie (GeV) avec ces techniques est loin d'être acquise et pourrait dégrader des caractéristiques cruciales du faisceau : émittance, répartition de l'énergie... Ce qui seraient de nouvelles limitations sévères pour les applications nécessitant une qualité de faisceau élevée, tel que X-FEL.

Dans ce contexte, la thèse proposée vise à concevoir des schémas alternatifs et nouveaux en utilisant nos codes numériques cinétiques PICSAR et WARPX, qui devraient permettre d'obtenir des accélérateurs compacts avec des niveaux d'énergie allant jusqu'à 1-10 nC / paquet jusqu'à plusieurs GeV tout en préservant une qualité de faisceau élevée. Une solution très prometteuse consisterait à utiliser des miroirs à plasma comme injecteurs d'électrons. Les miroirs à plasma sont des plasmas surdenses formés lorsqu'un laser de forte puissance est focalisé sur une cible solide. En tant que tels, ils peuvent fournir un très grand réservoir d'électrons qui pourraient être accélérés de manière cohérente par le laser incident et injectés dans un LWFA. Des simulations préliminaires montrent que le fait de placer un miroir de plasma juste avant un jet de gaz pourrait permettre une injection spatio-temporelle très localisée de paquets d'électrons sub-femtosecondes dans un LWFA. Cette injection très localisée est la condition préalable à l'obtention de faisceaux d'électrons de très haute qualité dans un plasma à ondes courtes et semble surpasser d'un ordre de grandeur (en termes de charge et de qualité du faisceau) tous les schémas proposés jusqu'à présent dans la littérature.

En s'appuyant sur les outils numériques développés par le groupe de physique à haute intensité au cours des cinq dernières années, l'objectif de la thèse sera de concevoir numériquement un injecteur d'électrons de haute qualité pour la LWFA en utilisant des miroirs de plasma. Elle comprendra plusieurs étapes importantes :

(i) Une première phase où les simulations préliminaires seront affinées et une preuve de concept détaillée de l'injection sera établie (un brevet sera rédigé).

(ii) Une deuxième phase au cours de laquelle un modèle d'injection d'électrons du miroir de plasma dans le LWFA sera développé pour définir les régimes optimaux en termes de paramètres laser-plasma. L'étape d'optimisation impliquera le développement de modèles de substitution utilisant des réseaux neuronaux profonds.

(iii) Une phase finale impliquant le couplage avec des expériences où l'ensemble du dispositif expérimental sera simulé numériquement. Cela impliquera le couplage de simulations hydrodynamiques 2D/3D (pour modéliser efficacement le profil de densité du gaz à l'interface gaz-miroir de plasma) avec des simulations cinétiques (pour modéliser l'injection dans le LWFA).

Réussir cette tâche permettrait d'alléger de plusieurs ordres de grandeur les contraintes en termes de taux de répétition laser requis pour la construction d'un collisionneur compact. En outre, la réalisation d'un accélérateur ultra-compact à forte charge et à faisceau de haute qualité pourrait être utilisée pour produire des sources de rayons X à électrons ultra-courts, X-FEL ou Bremsstrahlung/Compton de table qui sont indispensables à de nombreuses applications telles que le traitement du cancer, la chimie femtoseconde, la radiobiologie, la radiothérapie ou la radiographie industrielle.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

High performance computing, plasma physics, laser-matter interaction

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut rayonnement et matière de Saclay
Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers
Physique à Haute Intensité
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2021
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Fabien QUÉRÉ  

CEA
DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI
Groupe Physique à Haute Intensité
DRF/IRAMIS/LIDyL
Laboratoire Interactions, Dynamique et lasers
CEA Saclay, Bât 522
91 191 Gif-sur-Yvette Cedex

Téléphone : +33 1 69 08 10 89

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
Ondes et Matière
DIRECTEUR DE THÈSE

Henri VINCENTI

CEA
DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI
CEA Saclay, 91191 Gif-Sur-Yvette, FRANCE