Instantané électro-optique 3D d’un paquet d’électrons d’un kilo-ampère accéléré par un champ de sillage laser

Inventée par T. Tajima et J. Dawson, l’accélération du champ de sillage laser (LWFA) exploite la puissance des impulsions laser de haute intensité pour générer des ondes de plasma avec des gradients d’accélération de plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ceux des accélérateurs RF conventionnels.

En traitant l’impulsion laser comme une balle, la force pondéromotrice induit une onde périodique dans le plasma, semblable à une cavité RF. Les électrons piégés dans cette onde peuvent atteindre des énergies de GeV en à peine un centimètre, soit mille fois plus court que les accélérateurs conventionnels. Les durées temporelles femtosecondes des paquets d’électrons du LWFA présentent des opportunités sans précédent pour les études ultrarapides.

Au cours des deux dernières décennies, LWFA a connu des progrès remarquables en termes d’énergie maximale, de propagation d’énergie, de charge et de taux de répétition.

Grâce à son gradient d’accélération élevé et à sa capacité à produire des paquets d’électrons à haute luminosité, le LWFA recèle un immense potentiel pour des applications en physique des hautes énergies, dans les études pompe-sonde à rayons X et en dosimétrie résolue en temps. La densité tridimensionnelle (3D) est un paramètre critique qui influence respectivement la luminosité dans un collisionneur, la luminosité des sources de rayons X secondaires et les débits de dose maximaux de rayonnement.

En particulier, un laser à électrons libres à rayons X (XFEL) de table est étroitement lié au processus laser dans un onduleur. Cependant, jusqu’à présent, les mesures expérimentales sont restées difficiles à réaliser en raison du manque de méthodes de diagnostic. Bien que les distributions transversales ou longitudinales relatives aient été étudiées séparément, le profil de densité absolu en 3D n’a pas encore été entièrement caractérisé.

Dans un nouveau journal publié dans Lumière : science et applicationsune équipe de scientifiques dirigée par le Dr Masaki Kando du Kansai Institute for Photon Science (KPSI), des National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Japon, le professeur Tomonao Hosokai du SANKEN, Université d’Osaka, Japon, et co- les chercheurs ont réalisé une percée dans la surveillance en un seul coup du profil de densité 3D des paquets d’électrons LWFA.

Grâce à des recherches expérimentales et numériques sur l’imagerie du rayonnement de transition optique (OTR), le décodage spatial électro-optique (EO) et l’algorithme génétique (GA), les structures 3D détaillées des paquets d’électrons ultrarapides du LWFA ont été reconstruites avec succès, illuminant le faisceau complexe. dynamique du paquet d’électrons.

Les résultats révèlent une taille transversale inférieure à 30 micromètres pour le paquet d’électrons, démontrant la résolution remarquable obtenue par la technique d’imagerie OTR. De plus, le profil de courant présentait une forme complexe à plusieurs pics, avec une structure inférieure à 10 femtosecondes offrant un courant de pointe dépassant 1 kiloampère (kA), ce qui témoigne des performances exceptionnelles de l’accélération du champ de sillage laser.

La densité numérique 3D maximale observée de ∼ 9 × 1021 m-3 est particulièrement importante, offrant des informations inestimables sur le paquet d’électrons accélérés. Cette détection a montré le potentiel de mise en œuvre d’un détecteur à n’importe quelle position le long d’une ligne de transport de faisceaux, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour de futures applications dans la science des accélérateurs et au-delà.

« La capacité de mesurer le profil de densité tridimensionnelle des paquets d’électrons améliorera notre compréhension du LWFA et libérera tout son potentiel pour diverses applications », a déclaré le Dr Kai Huang, chercheur principal au QST et auteur principal de l’article.

« Les résultats et les méthodologies présentés dans cet article ont des implications considérables dans un large éventail de disciplines, notamment la physique des accélérateurs, les lasers de haute puissance et l’optique térahertz. »