Développement de diagnostics pour les faisceaux d'électrons relativistes accélérés par sillage laser-plasma // Development of diagnostics for relativistic electron beams accelerated by laser driven wakefield in plasma

Le mécanisme du sillage laser-plasma permet d'accélérer les électrons grâce à l'onde engendrée par une impulsion laser ultra-courte, sur laquelle viennent « surfer » les électrons. Cette méthode futuriste présente de nombreux avantages par rapport aux techniques électrostatiques traditionnelles. Les gradients d'accélération sont beaucoup plus élevés, des électrons d'énergies de l'ordre du GeV peuvent donc être atteintes dans des dispositifs de quelques centimètres. Elle fournit des faisceaux d'électrons relativistes intenses et de courte durée, dans des dispositifs compacts. Elle possède de nombreuses applications potentielles notamment en physique des particules et dans le médical.

Cependant, cette technique est encore en développement. Il est notamment important d'arriver à de meilleures stabilités et reproductibilités des caractéristiques du faisceau. L'utilisation du sillage laser-plasma nécessite donc la mise au point de diagnostiques tir à tir non destructifs pour le faisceau.

L'équipe ITFIP, au sein de laquelle est proposée cette thèse, a mis au point une cellule plasma permettant d'obtenir des faisceaux d'électrons de bonne qualité avec des énergies ajustables dans la gamme 100-200 MeV. L'injection de ce faisceau d'électrons dans un deuxième plasma pour atteindre des énergies encore plus élevées est en cours d'étude. Ces travaux s'insèrent dans plusieurs projets internationaux, comme EuPRAXIA et PACRI.

Dans ce contexte, le projet de thèse proposé porte sur la mise au point de diagnostics électro-optiques permettant de caractériser le faisceau d'électrons relativistes issu de la cellule de gaz, en position et en temps, à chaque tir. La précision requise est de l'ordre du micron pour le positionnement dans la direction transverse à la propagation et de l'ordre de la femtoseconde dans la direction longitudinale. Les diagnostics développés seront testés lors de campagnes d'expériences laser-plasma sur des installations françaises et européennes.
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The mechanism of laser driven wakefield in plasma enables the acceleration of electrons in a short pulse laser generated plasma wave, where electrons are trapped and accelerated like a surfer catching a wave on the ocean. This advanced method has several advantages compared to conventional electrostatic technologies in vacuum. Accelerating gradients are much larger and electrons with energies of the order of 1 GeV can be achieved over plasmas a few centimeter long. It provides intense, short duration relativistic electron beams with compact devices. Numerous applications are foreseen, ranging from medical diagnostic and therapy, to high energy physics.

However, this technique is still under development. In particular, it is important to achieve improved stability and reproducibility of the electron beam characteristics. In order to use these electron beams, non destructive diagnostics permitting shot-to-shot analysis of the beam are required.

The ITFIP team proposes a PhD project that will use an existing plasma cell designed by the team to achieve good quality electron beams with energies tunable in the range 100-200 MeV. The injection of this electron beam in a second plasma to achieve higher energies is under study. These studies are performed in the frame of several international projects, EuPRAXIA and PACRI.

In this context, the proposed PhD project is to develop electro-optic diagnostics to characterize the relativistic electron beam at the exit of the gas cell, in time and transverse position, for each shot. The aim is to achieve a micron precision in the transverse plane and femtosecond resolution in the longitudinal direction. Developed diagnostics will be tested during laser plasma experiments performed at ultra-intense laser facilities in France and in Europe.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Europe - Autres cadres de financement

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Connaissances générales en Physique, optique, électromagnétisme, physique des plasmas Intérêt pour la physique expérimentale et les développement techniques impliquant de l'optique, des lasers, l'interaction d'ondes avec la matière. Capacité à programmer en relation avec les développements expérimentaux (analyse de données, contrôle des diagnostics à distance) Intérêt pour le travail en équipe capacité à communiquer les analyses et résultats (rapports écrits, présentations orales) Autonomie et capacité d'organisation, bonne connaissance de l'anglais
General knowledge in physics, optics, electromagnetism, plasma physics Interest for experimental physics and technical developments involving optics, lasers and wave matter interaction Programming skills, for data analysis, diagnostic remote control, or automation Capability to work in a team, while maintaining a good autonomy Capability to communicate results and analysis, through written documents and oral presentations Working knowledge of english langage