AWAKE : plus de plasma pour plus d’accélération

Nov 26, 2019

En mai 2018, l’expérience AWAKE a réalisé la première accélération d’électrons au moyen d’un champ de sillage créé par des protons filant à travers un plasma. AWAKE a démontré qu’il est non seulement possible, mais surtout efficace, d’utiliser des champs de sillage plasma générés par des faisceaux de protons pour accélérer des particules chargées, remplissant ainsi l’objectif de la phase « AWAKE Run 1 ». L’expérience a été réalisée sur une distance de 10 mètres, avec une cellule plasma au rubidium.

La prochaine étape, « AWAKE Run 2 », qui débutera après le LS2, consiste d’une part à accélérer un faisceau d’électrons tout en préservant sa qualité, et, d’autre part, à démontrer la faisabilité d’une telle technologie sur plusieurs centaines de mètres. « Le plasma d’AWAKE est actuellement produit en envoyant une impulsion laser qui transforme le rubidium gazeux en plasma par ionisation », explique Alban Sublet, physicien appliqué au sein du groupe Vide, surfaces et revêtements du département Technologie. « Cela fonctionne bien car la cellule d’AWAKE mesure 10 mètres, mais cette méthode d’ionisation n’est pas adaptée à plus grande échelle. »

C’est là qu’entre en scène la cellule plasma hélicon. Une onde hélicon est une onde électromagnétique basse fréquence capable de générer des plasmas de très haute densité, comme le requiert AWAKE. « Nous travaillons actuellement avec une cellule plasma hélicon prototype de 1 m développée par l’Institut de physique des plasmas de Greifswald (Allemagne). Dans ce dispositif, les ondes de type hélicon sont générées par des antennes radiofréquence qui entourent un tube en quartz rempli d’argon à basse pression », explique Alban Sublet. Cette configuration permet de concevoir, théoriquement, de très longues cellules, car il suffit de prolonger le tube et d’ajouter des antennes pour étendre le plasma sur de grandes distances.

Reste la question de l’homogénéité du plasma généré. Comment être sûr que la densité requise pour AWAKE est atteinte uniformément tout le long de la cellule ? « Pour le moment, nous ne disposons que d’un outil de diagnostic permettant de mesurer le profil de densité du plasma localement », souligne Alban Sublet. « Jusqu’ici, nous avons déduit la densité du plasma de la cellule au rubidium de façon indirecte, en mesurant la densité du rubidium gazeux avant sa ionisation », ajoute Edda Gschwendtner, coordinatrice technique et responsable du projet AWAKE au CERN.

Pour résoudre ce problème, l’équipe en charge des tests travaille actuellement en collaboration avec l’Université du Wisconsin (UW), Madison (États-Unis) et le Swiss Plasma Center (SPC) de l’EPFL. Deux méthodes de diagnostic plasma sont à l’étude ; elles seront testées au CERN courant 2020. « Développer un outil de diagnostic capable de mesurer l’uniformité du plasma avec la précision requise par AWAKE, et ce, tout le long de la cellule, est un défi de taille », précise Alban Sublet. « Lorsque nous aurons développé une méthode de diagnostic fiable, nous pourrons optimiser la cellule plasma hélicon puis concevoir une cellule hélicon plus longue pour une utilisation à AWAKE d’ici à quelques années. » Des synergies existent avec le domaine des revêtements et traitements de surface, où ce type de plasma pourrait être utilisé dans le futur, comme c’est le cas pour certaines applications industrielles.


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