Design Conceptuel réussi pour un accélérateur à champ de sillage dans les plasmas pour EuPRAXIA

Le projet EUPRAXIA vient de terminer fin 2019 sa phase d'étude de conception avec la délivrance du Rapport de Design Conceptuel (CDR). L'implication forte de l'IRFU, notamment dans le domaine de physique du faisceau de particules, a permis de montrer que des solutions existent pour la réalisation d'un accélérateur à champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de sillage dans les plasmas, avec une qualité de faisceau approchant celle des accélérateurs conventionnels.

L'étude détaillée des mécanismes physiques a pu guider efficacement les simulations numériques, chacune durant plus de 10h sur 2048 noeuds de calcul, pour démontrer que tous les objectifs du faisceau à la sortie peuvent être atteints avec un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne...) de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...) 30 cm, de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure...) électronique 1,10¹⁷ cm^-3, et un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 400 térawatts, d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 50 joules. Des méthodes innovantes ont été mises en oeuvre pour pouvoir, sans dégrader le faisceau, l'accélérer et le conduire à travers les deux étages plasma jusqu'à l'utilisateur final. Une analyse des tolérances aux erreurs a permis d'identifier les composants les plus sensibles auxquels un soin particulier devrait être apporté lors de la fabrication et l'installation.

La collaboration EuPRAXIA

EuPRAXIA (European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications) est un consortium regroupant 16 membres participants, instituts ou universités européens, et 25 partenaires associés répartis en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...), Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan...) et Asie (L'Asie est un des cinq continents ou une partie des supercontinents Eurasie ou Afro-Eurasie de la Terre. Il est le plus grand continent (8,6 % de la surface totale terrestre ou...), ainsi que 5 entreprises privées du secteur laser de puissance. Son objectif est d'étudier puis de construire un accélérateur basé sur les techniques d'accélération par plasma, capable de fournir à des communautés d'utilisateurs sur site un faisceau d'électrons à l'énergie de 1 à 5 GeV, une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) de 30 pC, une émittance et une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes...) en énergie plus petites que 1mm.mrad et 1%, à la cadence de 10-100 Hz, avec une reproductibilité (La reproductibilité d'une expérience scientifique est une des conditions qui permet d'inclure les observations réalisées durant cette expérience dans le processus...) et une fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) de qualité "industrielle". Avec ces caractéristiques réunies simultanément, ce projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) vise une rupture majeure, scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et...) et technique, amenant l'accélération par champ de sillage comme une expérience de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...), à l'accélérateur comme une installation délivrant du faisceau à des utilisateurs.

L'accélération par champ de sillage

En traversant une colonne de plasma, un laser de puissance ou un faisceau de particules laisse dans son sillage une cavité millimétrique avec un surplus d'électrons à l'arrière et sur les côtés de cette cavité. C'est le mécanisme de la force pondéromotive. Un paquet d'électrons injecté dans cette partie de la cavité va pouvoir être fortement accéléré et focalisé par les forces de Coulomb résultantes. Typiquement, un laser d'1 pétawatt et un plasma de densité 10¹⁶-10¹⁹ cm^-3 peut engendrer un champ accélérateur jusqu'à 100 GV/m, soit 1000 fois supérieur aux champs produits par les techniques radiofréquences conventionnelles. Potentiellement, cela permettra de diminuer la taille des accélérateurs de plusieurs ordres de grandeur.

Vers un accélérateur plasma de haute énergie, haute charge et haute qualité faisceau

Cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production industrielle....) comporte une série de défis majeurs à relever car l'obtention d'un faisceau de haute énergie, haute charge et haute qualité faisceau simultanément n'a jamais été encore démontré, ni expérimentalement, ni théoriquement. La contribution de l'Irfu sur ces aspects a été déterminante, à travers la responsabilité, la co-responsabilité ou la participation aux workpackages "WP2-Physique et simulations", "WP5-Design et optimisation des lignes de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications...) faisceau" et "WP15-Diagnostiques" (voir le fait marquant précédent).

Les efforts de l'Irfu étaient concentrés sur les configurations d'accélérateur laser-plasma à deux étages, un premier étage pour optimiser l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) des électrons et leur accélération jusqu'à 150 MeV et un deuxième étage pour son accélération jusqu'à l'énergie finale de 5 GeV. Des études détaillées ont été entreprises sur les mécanismes physiques agissant sur les profils des champs de sillage accélérateur et focalisant. Cela a permis de guider les optimisations fines effectuées par les simulations numériques, chacune durant plus de 10h sur 2048 noeuds de calcul. On a pu ainsi démontrer que tous les objectifs du faisceau à la sortie peuvent être atteints avec un plasma de longueur 30 cm, de densité électronique 1,10¹⁷ cm^-3, et un laser de puissance 400 térawatts, d'énergie 50 joules, possédant des caractéristiques bien déterminés.

Grâce à une double compétence sur l'accélération laser-plasma et l'accélération radiofréquence conventionnelle, des méthodes innovantes ont été mises en oeuvre pour pouvoir, sans dégrader le faisceau, l'extraire d'un étage plasma, le transporter et l'injecter dans un deuxième étage, ou le transporter vers l'utilisateur final. Enfin, une analyse des tolérances aux erreurs a permis d'identifier les composants les plus sensibles auxquels un soin particulier devrait être apporté lors de la réalisation.

Une collaboration étroite avec les partenaires européens d'EuPRAXIA a conduit à la détermination puis l'optimisation de plusieurs autres schémas d'injection et d'extraction capables d'atteindre les objectifs visés. Dans une étape ultérieure, une analyse de rendement/performance/risque va être entreprise afin de choisir la meilleure configuration d'accélération ainsi que celle des systèmes laser et plasma. S'ensuivra alors une phase d'études techniques plus détaillées pour vraiment amorcer la phase de fabrication et d'installation.

La clôture de cette première phase d'étude de conception marque une étape décisive vers un véritable accélérateur basé sur les techniques d'accélération plasma.

Contact: P. A. P. Nghiem, A. Chancé

Publications:

- X. Li, P. A. P. Nghiem, and A. Mosnier, Toward low energy spread in plasma accelerators in quasilinear regime, Phys. Rev. Accel. Beams 21, 111301 (2018).
- X. Li, A. Chancé, and P. A. P. Nghiem, Preserving emittance by matching out and matching in plasma wakefield acceleration stage (Un stage est le plus souvent une période de formation, d'apprentissage ou de perfectionnement qui dure quelques jours à plusieurs mois dans un lieu adapté :), Phys. Rev. Accel. Beams 22, 021304 (2019).
- P. A. P. Nghiem et al., Toward a plasma-based accelerator at high beam energy with high beam charge and high beam quality, Phys. Rev. Accel. Beams 23, 031301 (2020).

Cet article vous a plus ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !