Une équipe de recherche allemande réalise une injection par photocathode plasma ultra-compacte

Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf et d'autres institutions a réalisé, sur l'installation laser DRACO, un schéma d'injection par photocathode plasma ultra-compacte intégré dans un accélérateur hybride à sillage plasma. Cette étude utilise un système laser de classe 150 TW pour piloter un accélérateur à sillage laser (LWFA), produisant un faisceau d'électrons à courant de crête élevé, qui pilote ensuite un accélérateur à sillage de faisceau de particules (PWFA), réalisant ainsi la génération et l'accélération d'un faisceau témoin dans une structure plasma millimétrique.

Les accélérateurs à sillage plasma peuvent générer des champs accélérateurs bien supérieurs à ceux des accélérateurs linéaires radiofréquence conventionnels, mais comment obtenir un faisceau d'électrons de haute qualité et de haute brillance dans un dispositif compact reste un défi clé pour des applications telles que les lasers à électrons libres. La technologie de photocathode plasma libère des électrons à l'intérieur de l'onde plasma par une impulsion laser synchronisée, permettant à ces électrons d'être rapidement capturés, focalisés et accélérés, ce qui pourrait considérablement améliorer la qualité du faisceau.

Dans l'expérience, les chercheurs ont utilisé un étage d'accélération à sillage laser de 3 millimètres de long pour produire un faisceau d'électrons relativiste, et ont bloqué l'impulsion laser usagée à l'aide d'une fine membrane. Ensuite, le faisceau d'électrons est entré dans un étage PWFA de 3 millimètres de long. Cet étage utilise un mélange gazeux de 50 % d'hydrogène et 50 % d'hélium, avec une densité gazeuse d'environ 1,15×10¹⁸ cm⁻³, et un canal plasma est d'abord formé par un laser de pré-ionisation. Un troisième laser est injecté à un angle de 90° pour ioniser les électrons du deuxième niveau d'ionisation de l'hélium, déclenchant ainsi le processus de photocathode plasma.

a Vue d'ensemble du dispositif expérimental. Tous les lasers (en rouge) proviennent de la source laser DRACO. Le laser LWFA produit un faisceau d'électrons dans le jet LWFA, qui est bloqué par la feuille de blocage laser (en orange). Le faisceau d'électrons produit (en bleu foncé) se propage ensuite jusqu'à l'étage PWFA, qui a été ionisé par le laser de pré-ionisation. L'injecteur produit le faisceau observé (en bleu clair), qui est enregistré avec le faisceau pilote par le spectromètre d'électrons. L'encart de droite montre l'image de focalisation de l'injecteur. Un faisceau de sonde est utilisé pour observer l'interaction, et l'encart supérieur montre une image d'exemple. b Instantané de simulation de particules montrant le processus d'injection, où ζ est la coordonnée de l'axe de propagation dans le référentiel comobile. Le faisceau d'électrons (en bleu foncé) pilote une onde plasma en éruption, et le front d'ionisation (en orange) de l'impulsion laser de l'injecteur (en rouge) ionise He²⁺ en balayant la cavité plasma. Les électrons He 2+ libérés au centre de l'onde plasma (en bleu clair) sont ensuite rapidement compressés, capturés et accélérés dans l'onde plasma, formant le faisceau témoin.

a Image d'ombroscopie du point d'injection montrant le sillage plasma dans l'étage PWFA. b Spectre du faisceau d'électrons produit par le LWFA, avec ruban de blocage. c Spectre du faisceau d'électrons produit par le LWFA, incluant l'étage PWFA et le ruban de blocage, mais sans le laser d'injection. d Spectre du faisceau d'électrons produit par le LWFA, incluant l'étage PWFA, le ruban de blocage et le laser d'injection, formant ainsi un faisceau témoin clair. Les lignes correspondent à la densité de charge spectrale des faisceaux représentés.

Les résultats expérimentaux montrent que lorsque le laser d'injection et le faisceau pilote d'électrons sont précisément superposés spatio-temporellement, le système peut produire un faisceau d'électrons témoin clairement identifiable. Le faisceau témoin mesuré présente une charge d'environ 10,7 pC dans la pleine largeur à mi-hauteur, une divergence quadratique moyenne de 0,59 mrad, une dispersion en énergie quadratique moyenne de 1,24 MeV, une énergie moyenne de 183,1 MeV et une dispersion relative en énergie d'environ 0,68 %. L'étude a également observé des faisceaux témoins avec des énergies dépassant 250 MeV, correspondant à des gradients de champ accélérateur de l'ordre de 100 GV/m.

a Taux de réussite d'injection observé expérimentalement, avec le nombre total d'impulsions pour chaque temps de retard indiqué au-dessus des points de données. b Charge du faisceau témoin injecté expérimentalement et charge observée dans les simulations. c Densité de charge spectrale du faisceau témoin injecté. Les impulsions individuelles sont tracées avec une transparence réduite pour indiquer le regroupement des valeurs de charge. Pour chaque point temporel, la moyenne ± l'erreur standard (SEM) des paramètres du faisceau témoin est affichée, avec un nombre de faisceaux témoins analysés de N  = 4, 16, 41, 63, 37, 67, 3 et 2 (pour des temps de retard de 0 fs à 300 fs, respectivement). Le temps de retard 0 fs est défini comme le point temporel le plus précoce où un faisceau témoin est observé.

L'équipe de recherche a également validé ce mécanisme d'injection par un balayage de retard. Le faisceau témoin n'apparaît que dans une fenêtre temporelle spécifique ; lorsque le gaz cible d'hélium est retiré ou que le trajet du laser d'injection est bloqué, aucun faisceau témoin n'est observé. Cela indique que la production du faisceau témoin dépend de l'ionisation sélective déclenchée par laser et d'un alignement spatio-temporel précis, conformément aux caractéristiques de l'injection par photocathode plasma.

Cependant, l'expérience montre également que les paramètres du faisceau témoin présentent encore des fluctuations notables d'une impulsion à l'autre. L'analyse d'ombroscopie indique que cela est lié à des facteurs tels que les fluctuations de charge du faisceau pilote d'électrons, les variations du degré de pré-ionisation et l'allongement de la première cavité plasma. Les chercheurs estiment qu'à l'avenir, l'amélioration de la stabilité de l'accélérateur à sillage laser, l'optimisation des caractéristiques spatio-temporelles du laser et le développement de méthodes de diagnostic plus précises pourraient améliorer la répétabilité expérimentale et caractériser plus précisément des paramètres clés du faisceau tels que l'émittance de tranche et la dispersion en énergie de tranche.

Un autre ensemble de données en dehors de celui présenté dans la figure a permis de déterminer, par analyse d'ombroscopie, la corrélation entre la charge du faisceau témoin et l'ionisation des particules cibles d'injection. Les lignes grises représentent les valeurs limites de perte de 0 % et 100 % des particules cibles d'injection, et la largeur de la zone ombrée représente son incertitude. Les barres d'erreur sont définies par l'incertitude de mesure de la longueur de cavité (précision de deux pixels) divisée par le nombre de cavités utilisées pour déterminer la longueur d'onde de perte, et sont déterminées individuellement pour chaque mesure (N = 1). La ligne verticale en pointillés supplémentaire marquée à 70 % de perte fait référence au point de fonctionnement des études de simulation présentées à la figure 3b) ainsi que dans la note complémentaire 6 et les figures complémentaires 2 et 4 .

Cette étude démontre qu'une photocathode plasma à haute densité peut être réalisée dans un dispositif tout-optique compact, comprimant une partie des recherches sur les photocathodes plasma qui ne pouvaient être menées que dans des installations de plusieurs kilomètres à des plateformes expérimentales à l'échelle du mètre. L'équipe de recherche estime que cette avancée offre une nouvelle voie technologique pour la production de faisceaux d'électrons à ultra-haute brillance et le développement d'applications scientifiques telles que les lasers à électrons libres à rayons X compacts.