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Particle Acceleration with Beam Driven Plasma Wakefield

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Particle Acceleration with Beam Driven Plasma Wakefield Particle acceleration with beam driven plasma wakefield Thèse de doctorat de l'Université Paris-Saclay préparée à l’école Polytechnique :2018SACLX023 École doctorale n°572 : ondes et matières (EDOM) NNT Spécialité de doctorat: optique et physique des plasmas Thèse présentée et soutenue à Palaiseau, le 09 Mars 2018, par Antoine DOCHE Composition du Jury : M. Patrick MORA, Directeur de recherche CPhT, école Polytechnique - CNRS Président du jury M. Philippe BALCOU, Directeur de recherche CELIA, CEA – CNRS – Université de Bordeaux Rapporteur M. Emmanuel D’HUMIERES, Directeur de recherche CELIA, CEA – CNRS – Université de Bordeaux Rapporteur Mme. Edda GSCHWENDTNER, Directrice de recherche CERN, Engineering Department Examinatrice M. Sébastien CORDE, Maitre de conférence LOA, École Polytechnique Co-directeur de thèse M. Victor MALKA, Directeur de recherche LOA, École Polytechnique Directeur de thèse Particle acceleration with beam driven plasma wakefield Remerciements - Acknowledgements Avant toute chose, il faut préciser que différents acteurs ont rendu possible les campagnes expérimentales sur lesquelles repose ce travail et la rédaction de ce manuscrit. Eux seuls méritent tous les honneurs qui découlent des accomplissements scientifiques présentés dans ce texte, et pour leur temps, leur aide et leur confiance je tiens à les remercier individuellement. Je souhaite remercier en tout premier lieu mon directeur de thèse, Victor Malka pour son accueil au Laboratoire d’Optique Appliquée dès février 2014. C’est grâce à lui que ce manuscrit a pu être écrit, grâce à son soutien face aux difficultés, et à ses conseils quant à la direction à prendre à chaque moment important. J’exprime donc beaucoup de reconnaissance pour ses enseignements scientifiques et humains, pour toutes les opportunités qu’il a rendues possibles, notamment pour partir étudier sous d’autres horizons. Je remercie à présent vivement Sébastien Corde, mon co-encadrant de thèse depuis Août 2015. Le difficile parcours scientifique qu’a constitué cette thèse n’a été possible que grâce à son intervention. Je souhaite exprimer mes remerciements pour la patiente infinie dont il a fait preuve, ses efforts incessants de pédagogie, son enthousiasme pour les discussions scientifiques et son sens inné du partage. Outre l’opportunité qu’il m’a offerte de partir découvrir la recherche scientifique outre-Atlantique, il restera un modèle de précision scientifique et plus largement de rigueur intellectuelle dans le travail. Il a sans aucun doute redonné de l’enthousiasme à cette thèse, et pour son action auprès des étudiants et de ces collègues il mérite plus largement toute la reconnaissance et l’estime des membres du laboratoire dans lequel cette thèse a eu lieu. L’expérience d’accélération d’un paquet distinct de positron dans un accélérateur par onde de sillage plasma est avant tout la récompense du travail de la collaboration E200 au sein de la plateforme FACET, au SLAC. Pour cela je tiens à remercier les différentes personnes qui ont rendu cette expérience possible, qui m’ont transmis d’innombrables savoir-faire, en même temps que beaucoup de nouveaux concepts scientifiques. Merci avant tout à Michael « Mike » Litos pour sa bonne humeur, sa passion communicative pour la physique et son enseignement dispensé avec patience. Merci à Spencer Gessner qui restera un modèle, par son efficacité dans le travail et sa passion pour les sciences. Merci à Mark Hogan pour son soutien bienveillant au cours des expériences, très important dans les moments de doute. Merci également au Professeur Chan Joshi pour ses conseils, remarques et enseignements, il oriente avec brio la collaboration E200, sa bienveillance et son influence sont une chance pour tous les étudiants. Merci à tous les gens qui ont partagé leur savoir sans compter, m’ont spontanément aidé à faire face aux imprévus divers : Carl Lindstrøm qui comme moi se bat pour défendre une thèse, Brendan O’Shea pour son aide face à l’inextricable système informatique de FACET, Kenneth « Ken » Marsh pour avoir partagé sans compter son savoir-faire expérimental, Christine Clarke et Selina Green pour leur disponibilité et leur soutien logistique quelle que soit l’heure du jour ou de la nuit. Je voudrais remercier également Christopher « Chris » Clayton pour sa motivation iii Remerciements communicative pendant les runs, ses discussions fort intéressantes pendant les pauses, Navid Vafaei pour son soutien moral quand les résultats tardaient à arriver… Merci à Chris Beekman pour les bons moments passés en Californie comme en France au cours de ce travail intensif. Merci à Erik Adli pour ses enseignements, son invitation à Oslo également, et merci à James Allen et Rafal Zgadzaj pour leur amitié, et pour le temps passé à travailler dans la bonne humeur. Merci à tous les autres personnels du SLAC qui ont rendu ce travail possible. L’essentiel du travail présenté ici a été accompli grâce à l’héritage scientifique et au personnel du Laboratoire d’Optique Appliquée. Pour cela, des remerciements appuyés doivent être adressés aux différents membres de groupes de recherche FLEX et SPL. Merci à Alessandro Flacco, qui a co-encadré mon travail de thèse pendant les 8-10 premiers mois, son habileté technique et son sens physique ont été une source d’inspiration pendant l’ensemble de ces trois années. Merci à Julien Gautier, Amar Tafzi, Jean-Philippe Godet, Jean-Philippe Rousseau, Stéphane Sebban, Fabien Tissandier, Antoine Rousse, Davide Boschetto, Benoit Mahieu, Guillaume Lambert, Agustin Lifschitz, Pascal Rousseau, Boris Vodungbo et Cédric Thaury, pour leur bonne humeur, leurs conseils et leur aide. Merci à Jean-Marcel Rax pour toutes les discussions passées ensembles, et toutes les questions générales de physique au sujet desquelles il a pu éclairer le groupe des étudiants. Mille mercis aux gars de la mécanique, Jean-lou « Charly » Charles, Mickaël Martinez, Bernard Allali et Florian Oper. Merci également au personnel du secrétariat pour leur soutien, leur disponibilité et leur bonne humeur : Sandrine Tricaud, Octavie Verdun, Lucie Huguet, Catherine Buljore, Patricia Toullier, merci. Pendant trois années au LOA, j’ai pu côtoyer d’autres étudiants, des camarades d’infortune que je n’oublierai pas. Merci donc à Dan Lévy, Viacheslav Smartsev, Adrien Despresseux, Safir Lazar, Antonin Siciak, Carla Da Silva Alves, Francesco Massimo, Olivier Delmas, Florian Mollica, Gaël Massé, Emilie Bayart, Evgeny Chelnokov, Igor Andriyash, Julien Ferri, Hermine Danvy, Flavien Museur, Chris Beekman, Benjamin Vauzour, Clément Caizergues, Emilien Guillaume, Andreas Döpp et Marc. Pour tous les moments passés ensemble à travailler, discuter, s’amuser, merci beaucoup, ce fut une belle aventure. Par ailleurs, beaucoup d’autres personnes méritent des remerciements. Merci beaucoup à Nicolas Panel, Joris Guery, Pierre Chopin, Olga Chashchina et Raphael Deswartes, un remerciement également de la part de tous les étudiants du campus de l’École polytechnique pour le temps qu’ils leur ont consacré. Merci à Benjamin Madon et Pascal Delange pour leur amitié. Merci à mes parents et à ma sœur, ainsi qu’aux autres membres de ma famille proche. Ce manuscrit est dédié à la mémoire de Loys et Laurent Doche, qui auraient bien aimé découvrir son sujet. Merci beaucoup à Liu Jia pour son soutien et sa compréhension face au chronophage travail que constitue la rédaction d’un manuscrit de thèse. Merci à tous mes amis du campus de Polytechnique, Shen Yixin, Weiran Zhang, Lei Yu, Lawrence Das Sourav, Guilhem Beaussoleil, François Deloche et tous les autres. iv Particle acceleration with beam driven plasma wakefield Contents ............................................................................................................................. vi Introduction ........................................................................................................................ 1 PART I Chapter 1 1. Particle accelerators: technology and applications ................................................... 7 a. A century long history ................................................................................................ 7 b. Particle beams and applications ................................................................................. 9 2. Laser physics concepts and formalism ...................................................................... 11 a. Laser fields and Gaussian pulses .............................................................................. 11 b. Relativistic regime ................................................................................................... 13 c. Maxwell equations ................................................................................................... 14 d. Chirped pulse amplification ..................................................................................... 14 3. Beam physics concepts and formalism ..................................................................... 15 a. Emittance .................................................................................................................. 16 b. Transfer matrices and beam transport ...................................................................... 17 c. Twiss parameters and beam envelope equation ....................................................... 18 d. Evolution of the trace-space ellipse in free space .................................................... 19 e. Periodic focusing systems .......................................................................................
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