Control of electron injection and acceleration in Laser-Wakefield Accelerators - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2015

Control of electron injection and acceleration in Laser-Wakefield Accelerators

Contrôle de l'injection et de l'accélération des électrons dans les accélérateurs laser-plasma

(1)
1

Abstract

Laser-plasma accelerators provide a promising compact alternative to conventional accelerators. Plasma waves with extremely strong electric fields are generated when a high intensity laser is focused into an underdense gas target. Electrons that are trapped in these laser-driven plasma waves can be accelerated up to energies of a few GeVs. Despite their great potential, laser-wakefield accelerators face some issues, regarding notably the stability and reproducibility of the beam when electrons are injected in the accelerating structure. In this manuscript, different techniques of electron injection are presented and compared, notably injection in a sharp density gradient and ionization injection. It is shown that combining these two methods allows for the generation of stable and tunable electron beams. We also studied a way to manipulate the electron bunch in the phase-space in order to accelerate the bunch beyond the dephasing limit. Such a technique was used with quasi-monoenergetic electron beams to enhance their energy. Moreover, the origin of the evolution of the angular momentum of electrons observed experimentally was investigated. Finally, we demonstrated experimentally a new method – the laser-plasma lens – to strongly reduce the divergence of the electron beam.
Les accélérateurs laser-plasma, plus compacts, constituent une alternative prometteuse aux accélérateurs conventionnels. Quand un laser ultra-intense est focalisé dans une cible de gaz sous-dense, des ondes plasma présentant des champs électriques de grande amplitude sont générées. Les électrons qui sont piégés dans ces ondes plasmas peuvent être accélérés jusqu’à des énergies de plusieurs GeV. Malgré leur fort potentiel, les accélérateurs laser-plasma font face à plusieurs difficultés, notamment en ce qui concerne la stabilité et la reproductibilité du faisceau au moment de l’injection dans la structure accélératrice. Dans ce manuscript, plusieurs techniques d’injection d’électrons sont présentées et comparées, notamment les méthodes d’injection dans un gradient raide de densité et d’injection par ionisation. Nous montrons qu’il est possible d’obtenir des faisceaux d’électrons stables et contrôlables en combinant ces deux techniques. Nous étudions également un moyen de manipuler le paquet d’électrons dans l’espace des phases afin de s’affranchir de la limite de déphasage et d’accélérer un peu plus les électrons. Cette technique est utilisée pour augmenter l’énergie de faisceaux d’électrons quasi-monoénergétiques. Par ailleurs, nous analysons l’origine de l’évolution du moment angulaire des électrons, précédemment observé expérimentalement. Enfin, nous présentons la démonstration expérimentale d’une nouvelle méthode permettant de réduire fortement la divergence du faisceau d’électron, la lentille laser-plasma.
Fichier principal
Vignette du fichier
THESE_GuillaumeE_Finale.pdf (50.8 Mo) Télécharger le fichier

Dates and versions

tel-01249964 , version 1 (04-01-2016)
tel-01249964 , version 2 (04-01-2016)

Licence

Attribution - NonCommercial - CC BY 4.0

Identifiers

  • HAL Id : tel-01249964 , version 2

Cite

Emilien Guillaume. Control of electron injection and acceleration in Laser-Wakefield Accelerators. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. École Polytechnique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01249964v2⟩
598 View
759 Download

Share

Gmail Facebook Twitter LinkedIn More