MICRO-PLASMA MICRO-ONDE POUR L’ACCÉLÉRATION LASER-PLASMA D’ÉLECTRONS RELATIVISTES

  • Doctorat
  • Orsay
Nom de l'entreprise / du laboratoire: LPGP
Encadrant: Olivier Leroy
Date de début: octobre 1, 2022

Les plasmas de volume réduit (< 1 mm suivant au moins une dimension) – dits microplasmas – constituent un domaine en plein essor.
L’excitation par microondes (à 2.45 GHz) garantit une production continue (non-impulsionnelle) du plasma dans des tubes diélectriques de
diamètre réduit (capillaires). L’équipe TMP-D&S du LPGP a conçu un excitateur novateur permettant de générer des plasmas par ‘onde de
surface’ dans des capillaires. Les plasmas sont générés sans aucune électrode, sur une très large gamme de pressions (du mbar à
quelques bar), et avec des puissances micro-ondes allant de quelques Watt à quelques dizaines de Watt. Les caractéristiques obtenues
dans ces microdécharges, à savoir de fortes densités d’espèces ionisées (électrons et ions), de fortes densités d’espèces actives, et de
fortes densités de photons, les rendent fort intéressantes pour de nombreuses applications.
Les accélérateurs basés sur l’accélération laser plasma (ALP) ont vu leurs performances croître très rapidement ces dernières années. Ils
sont maintenant capables de produire des faisceaux d’électrons piqués en énergie dans la gamme 1-10 GeV avec une durée de quelques
femto secondes. Ces faisceaux peuvent constituer des sources de rayonnement aux propriétés remarquables dans une large gamme de
fréquence allant du THz au rayonnement gamma et ouvrent la possibilité de construire des lasers à électrons libres compacts alimentés
par des accélérateurs plasma accessibles à des institutions locales.
L’objectif de cette thèse est très ambitieux et s’inscrit dans un vaste programme visant à démontrer expérimentalement l’efficacité du
dispositif de micro-décharge micro-onde du LPGP à guider un laser de haute intensité afin d’obtenir une configuration optimisée d’ALP
compact à des énergies de plusieurs centaines de MeV à quelques GeV.
Des travaux préliminaires ont permis de définir certaines valeurs typiques des paramètres du dispositif de décharge, comme le mélange
de gaz (He +Ar (<10%)) ou le rayon interne du capillaire (100-150 μm). Le passage d’un fonctionnement en argon pur (lors des travaux
antérieurs) à un fonctionnement majoritairement en He, plus difficile à ioniser, pose des problèmes qu’il va falloir résoudre. Pour cela, un
travail de caractérisation doit être mené pour relier les paramètres externes de la décharge à ses propriétés internes, en l’occurrence les
profils radial et longitudinal de la densité atomique. Le but est d’obtenir un profil de densité radial le plus parabolique possible et un profil
longitudinal présentant une bonne uniformité sur des longueurs typiques de 5-10 cm.
Le travail proposé sera essentiellement expérimental (spectroscopie optique, spectroscopie laser…), mais des simulations numériques
pourront être menées en collaboration avec l’équipe ITFIP du LPGP, afin de tester l’efficacité des configurations optimisées par les
expériences.

Plasmas of reduced volume (< 1 mm in at least one dimension) – so-called microplasma – are a growing field. Microwave excitation (at 2.45
GHz) guarantees continuous (non-pulse) plasma production in dielectric tubes with reduced diameter (capillaries). The TMP-D&S team at
LPGP has designed an innovative exciter for generating ‘surface wave’ plasmas in capillaries. The plasmas are generated without any
electrode, over a very wide range of pressures (from mbar to a few bars), and with microwave powers ranging from a few Watts to a few
tens of Watts. The characteristics obtained in these microdischarges, namely high densities of ionized species (electrons and ions), high
densities of active species, and high densities of photons, make them very interesting for many applications.
Accelerators based on plasma laser acceleration (ALP) have seen their performance grow very rapidly in recent years. They are now
capable of producing electron beams with energies in the 1-10 GeV range with a duration of a few femto seconds. These beams can be
sources of radiation with remarkable properties in a wide frequency range from THz to gamma radiation and open up the possibility of
building compact free electron lasers powered by plasma accelerators accessible to local institutions.
The objective of this thesis is very ambitious and is part of a large program aiming at experimentally demonstrating the efficiency of the
LPGP microwave discharge device to guide a high intensity laser in order to obtain an optimized configuration of compact ALP at energies
ranging from several hundred MeV to a few GeV.
Preliminary work has defined some typical values of the parameters of the discharge device, such as the gas mixture (He +Ar (<10%)) or
the internal radius of the capillary (100-150 μm). The change from pure argon operation (in previous work) to an operation mainly in He,
which is more difficult to ionize, poses problems that will have to be solved. For this, characterization work must be carried out to link the
external parameters of the discharge to its internal properties, in this case the radial and longitudinal profiles of the atomic density. The aim
is to obtain a radial density profile that is as parabolic as possible and a longitudinal profile with good uniformity over typical lengths of 5-10
cm.
The proposed work will be essentially experimental (optical spectroscopy, laser spectroscopy…), but numerical simulations can be carried
out in collaboration with the ITFIP team of the LPGP, in order to test the efficiency of the configurations optimized by the experiments.

Description détaillée:

Pour postuler, envoyez votre CV et votre lettre de motivation par e-mail à olivier.leroy@universite-paris-saclay.fr