Dynamique de faisceau pour un accélérateur laser-plasma multi-étages // beam dynamics for a multi-stage laser-plasma accelerator

Topic description

Les accélérateurs à champ de sillage sillage laser-plasma (LWFA, pour Laser–plasma WakeField Accelerators) sont capables de fournir des gradients d'accélération élevés (dépassant GV/m), offrant ainsi une voie prometteuse pour réduire la taille et le coût des futurs accélérateurs haute énergie. Ils représentent donc une alternative pour produire des faisceaux d'électrons destinés à des applications en physique des hautes énergies, rayonnement synchrotron, lasers à électrons libres, production de muons, ainsi qu'à des applications médicales émergentes (comme la thérapie FLASH) et industrielles.
Bien que les accélérateurs laser-plasma aient déjà démontré un potentiel prometteur, le changement d'échelle pour des énergies et des charges de faisceau plus élevées reste un défi majeur. Atteindre cet objectif nécessite à la fois une maturité technologique accrue et le développement de schémas d'accélération innovants. Parmi ceux-ci, les configurations multi-étages — dans lesquelles plusieurs étages d'accélération plasma sont connectés — offrent deux avantages principaux :
i) Augmenter l'énergie globale du faisceau au-delà des limites d'une seule cellule plasma ;
ii) Améliorer la charge totale et/ou la cadence de répétition en combinant les faisceaux de plusieurs étages.

Ces systèmes avancés visent à surmonter les limitations intrinsèques des accélérateurs mono-étage, tout en maintenant, voire en améliorant, la qualité du faisceau à plus haute énergie.
La conception d'un accélérateur capable de fournir un faisceau stable, reproductible et de haute qualité aux utilisateurs nécessite une compréhension approfondie à la fois de la physique de l'accélération plasma et des mécanismes de transport du faisceau entre les étages successifs.
S'appuyant sur l'expertise et les activités de recherche développées ces dernières années au Département des Accélérateurs, de la Cryogénie et du Magnétisme (DACM) du CEA Paris–Saclay, cette thèse se concentrera sur les études physiques et numériques nécessaires pour proposer une conception entièrement intégrée d'un LWFA multi-étages. Une attention particulière sera portée à l'optimisation de tous les composants de l'accélérateur, y compris les sections d'accélération plasma et les lignes de transport de faisceau, dans le but de préserver la qualité du faisceau (en termes de taille transverse, divergence, émittance et dispersion en énergie).
Le ou la candidat·e utilisera et couplera plusieurs codes de simulation numérique dédiés pour modéliser les différentes étapes d'accélération et de transport. Par ailleurs, des techniques d'optimisation basées sur l'apprentissage automatique pourront être explorées afin d'améliorer l'efficacité et les performances de la conception.
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Laser–plasma wakefield accelerators (LWFAs) are capable of providing high accelerating gradients (exceeding GV/m), offering a promising pathway to reduce the size and cost of future high-energy accelerators. As a result, they represent an alternative for producing electron beams for applications in high-energy physics, synchrotron radiation, free-electron lasers, muon production, and emerging medical (e.g., FLASH therapy) and industrial applications.

While laser–plasma accelerators have already demonstrated remarkable potential, scaling this technology to higher beam energies and charges remains a major challenge. Achieving this goal requires both further technological maturity and the development of innovative acceleration schemes. Among these, multi-stage configurations — in which several plasma acceleration stages are connected — offer two main advantages:
i) Increasing the overall beam energy beyond the limits of a single plasma cell;
ii) Enhancing the total charge and/or repetition rate by combining beams from multiple stages.
Such advanced systems aim to overcome the intrinsic limitations of single-stage accelerators, while maintaining or even improving beam quality at higher energies.

Designing an accelerator capable of delivering a stable, reproducible, and high-quality beam to users requires a comprehensive understanding of both the physics of plasma acceleration and the beam transport mechanisms between successive stages.

Building on the expertise and research activities developed in recent years at the Department of Accelerators, Cryogenics and Magnetism (DACM) at CEA Paris–Saclay, this PhD will focus on the physical and numerical studies required to propose a fully integrated design of a multi-stage LWFA. Particular attention will be paid to the optimization of all accelerator components, including the plasma accelerating sections and beam transport lines, with the objective of preserving beam quality (in terms of transverse size, divergence, emittance, and energy spread).

The candidate will use and couple several dedicated numerical simulation codes to model the various stages of acceleration and transport. In addition, machine learning–based optimization techniques may be explored to improve the design efficiency and performance
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Début de la thèse : 01/10/

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Contrats ED : Programme blanc GS-Physique