Progress on laser plasma accelerator development using transversely and longitudinally shaped plasmas

Wim P. Leemans; E. Esarey; C.G.R. Geddes; Cs. Toth; C.B. Schroeder; K. Nakamura; A.J. Gonsalves; D. Panasenko; E. Cormier-Michel; G.R. Plateau; C. Lin; D.L. Bruhwiler; J.R. Cary

doi:10.1016/j.crhy.2009.05.001

Progress on laser plasma accelerator development using transversely and longitudinally shaped plasmas
[Progrès dans le développement d'accélérateurs laser-plasma utilisant des plasmas profilés transversalement et longitudinalement]

Wim P. Leemans ^1,² ; E. Esarey ^1,² ; C.G.R. Geddes ¹ ; Cs. Toth ¹ ; C.B. Schroeder ¹ ; K. Nakamura ^1,² ; A.J. Gonsalves ¹ ; D. Panasenko ¹ ; E. Cormier-Michel ¹ ; G.R. Plateau ^1,³ ; C. Lin ^1,⁴ ; D.L. Bruhwiler ⁵ ; J.R. Cary ^5,⁶

¹ Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
² University of Nevada, Reno, NV 89557, USA
³ École polytechnique, 91128 Palaiseau cedex, France
⁴ Peking University, Beijing 100871, China
⁵ Tech-X Corporation, Boulder, CO 80303, USA
⁶ University of Colorado, Boulder, CO 80309, USA

Comptes Rendus. Physique, Laser acceleration of particles in plasma, Volume 10 (2009) no. 2-3, pp. 130-139.

Résumé
Abstract

On présente un résumé des progrès obtenus au Lawrence Berkeley National Laboratory sur : (1) les expériences sur l'injection dans une rampe de densité décroissante ; (2) les expériences sur l'accélération dans des canaux de plasmas de décharges capillaires ; et (3) les simulations d'accélérateur par champ de sillage laser (LWFA) en configuration multi-étages. Le contrôle du piégeage dans un LWFA à l'aide de rampes de densité décroissante produit des paquets d'électrons avec des dispersions de moment cinétique longitudinal et transversal plus de dix fois plus faibles que dans des expériences antérieures (respectivement 0,17 and 0,02 MeV/c FWHM) avec une valeur centrale de $0, 76 \pm 0, 02 MeV / c$ , stable sur la durée de la semaine d'expérience. Des expériences ont également été faites à l'aide d'un laser de 40 TW interagissant avec un guide d'onde constitué par une décharge capillaire d'hydrogène. Pour un capillaire de longueur 15 mm et de diamètre 200 μm, des électrons quasi-monoénergétiques atteignant 300 MeV ont été observés. En jouant sur le délai du temps d'allumage de la décharge et en s'écartant ainsi des performances optimales de guidage, l'auto piégeage a pu être stabilisé. Pour un capillaire de longueur 33 mm et de diamètre 300 μm, un régime de paramètres avec des électrons atteignant 1 GeV a été trouvé. Dans ce régime, l'énergie maximum des électrons a été corrélée avec la quantité d'électrons piégés. Les simulations ont montré que des paquets d'électrons produits dans une rampe de densité décroissante et injectés dans un guide dans un LWFA peuvent constituer des faisceaux stables de haute énergie avec des dispersions en moment de l'ordre de 0,2 MeV/c.

A summary of progress at Lawrence Berkeley National Laboratory is given on: (1) experiments on down-ramp injection; (2) experiments on acceleration in capillary discharge plasma channels; and (3) simulations of a staged laser wakefield accelerator (LWFA). Control of trapping in a LWFA using plasma density down-ramps produced electron bunches with absolute longitudinal and transverse momentum spreads more than ten times lower than in previous experiments (0.17 and 0.02 MeV/c FWHM, respectively) and with central momenta of $0.76 \pm 0.02 MeV / c$ , stable over a week of operation. Experiments were also carried out using a 40 TW laser interacting with a hydrogen-filled capillary discharge waveguide. For a 15 mm long, 200 μm diameter capillary, quasi-monoenergetic bunches up to 300 MeV were observed. By detuning discharge delay from optimum guiding performance, self-trapping was found to be stabilized. For a 33 mm long, 300 μm capillary, a parameter regime with high energy bunches, up to 1 GeV, was found. In this regime, peak electron energy was correlated with the amount of trapped charge. Simulations show that bunches produced on a down-ramp and injected into a channel-guided LWFA can produce stable beams with 0.2 MeV/c-class momentum spread at high energies.

Publié le : 2009-03-01

DOI : 10.1016/j.crhy.2009.05.001

Keywords: Laser-driven electron acceleration
Mots-clés : Accélération laser d'électrons

Affiliations des auteurs :

Wim P. Leemans ^{1, 2} ; E. Esarey ^{1, 2} ; C.G.R. Geddes ¹ ; Cs. Toth ¹ ; C.B. Schroeder ¹ ; K. Nakamura ^{1, 2} ; A.J. Gonsalves ¹ ; D. Panasenko ¹ ; E. Cormier-Michel ¹ ; G.R. Plateau ^{1, 3} ; C. Lin ^{1, 4} ; D.L. Bruhwiler ⁵ ; J.R. Cary ^{5, 6}

¹ Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
² University of Nevada, Reno, NV 89557, USA
³ École polytechnique, 91128 Palaiseau cedex, France
⁴ Peking University, Beijing 100871, China
⁵ Tech-X Corporation, Boulder, CO 80303, USA
⁶ University of Colorado, Boulder, CO 80309, USA

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Cité par Sources :

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