Description du sujet de thèse

Accélérations et manipulations de faisceau d’électrons ultra-courts par des ondes optiques dans des guides d’onde diélectriques.
Physique des accélérateurs de particules Photonique/laser.

Les accélérateurs basés sur des lasers, comme les accélérateurs à guide d'ondes diélectriques et laser-plasma, offrent des performances inégalées pour des applications innovantes. Cependant, l’interaction entre les particules et l’onde se propageant dans le milieu est limitée à quelques centimètres contrairement aux accélérateurs Radiofréquence (RF) conventionnels. La gestion de plusieurs étages d’accélération est une solution pour surmonter cette contrainte, nécessitant une expertise en propagation d’ondes optiques et en transport de faisceaux ultra-courts. Les études réalisées pendant la thèse permettront de connaitre les conditions pour concevoir un accélérateur hybride combinant l’accélération par laser et l’accélération RF, en optimisant le transport des électrons. Il s’appuiera sur des outils de modélisation avancés et des validations expérimentales sur des prototypes comme TWAC à IJCLab, ouvrant la voie à un futur schéma multiétage réaliste.
Les accélérateurs sont utilisés dans divers domaines, de la physique fondamentale à l'industrie et aux applications médicales. Dans les accélérateurs conventionnels, les particules chargées sont accélérées par un champ électromagnétique RF se propageant dans des guides d'ondes à une vitesse proche de celle de la lumière. Tant qu'elles restent synchronisées avec l'onde, elles gagnent en énergie, à l'image d'un surfeur sur une vague. Bien que la technologie RF ait atteint une grande fiabilité, elle est limitée par des effets de claquage, restreignant le champ d’accélération à environ 100 MeV/m (en bande X, 10-30 GHz). Pour dépasser ces limites, des techniques d’accélération innovantes sont explorées. L'accélération laser- plasma (LPA) et laser diélectrique (DLA) sont des alternatives prometteuses pour les futurs accélérateurs. Elles permettent de miniaturiser les structures jusqu’au centimètre tout en augmentant le gain d’énergie. Cette compacité favorise leur application en science, médecine (radiothérapie) et industrie, tout en réduisant les coûts d’infrastructure. L’accélération par laser-plasma atteint des gradients de plusieurs dizaines de GeV/m, bien au-delà des 100 MeV/m des accélérateurs RF. Une avancée majeure a démontré une accélération d’électrons jusqu’à 10 GeV sur 20 cm confirmant son efficacité pour des accélérations à haut gradient. Ces faisceaux réduisent l’empreinte des machines et produisent des paquets ultra-courts, mais au prix d’une stabilité moindre et d’une qualité de faisceau inférieure, avec une forte dispersion en énergie et une plus grande divergence.
L'accélération diélectrique proposée par le projet exploratoire TWAC EIC Pathfinder promet de relever le défi de surmonter ces inconvénients de stabilité et de qualité de faisceau. Contrairement à l’accélération par RF étudiée depuis près d’un siècle et LPA depuis plus de 40 ans, l'accélération de paquets d'électrons par des champs dans la gamme THz dans les structures diélectriques est un jeune sujet de recherche. Ceci est motivé par le potentiel et les progrès dans la génération d'impulsions THz intenses pour les applications liées aux accélérateurs. La première démonstration expérimentale de l'accélération d'électrons dans un diélectrique par des champ THz a été publiée en 2015. D’autres expériences, avec des sources d’électrons différentes ont été réalisées : CLARA aux Royaumes Unies, en Chine et aux États-Unis.
L'objectif de ce projet est de proposer une nouvelle approche de l’accélération multi-étages afin de concevoir un accélérateur hybride, combinant des techniques d’accélération innovantes telles que l’accélération par guide d’onde diélectrique et/ou par laser-plasma, et de l’accélération RF conventionnelle. Ce projet vise à manipuler le faisceau d’électrons à travers une cascade de champs accélérateurs de différentes périodes (allant de la RF au domaine optique) afin de répondre aux exigences de dispersion en énergie et de durée d’impulsion et de compacité de longueur d’accélération. Des efforts doivent être entrepris pour manipuler et caractériser le faisceau de particules afin d'exploiter pleinement les avantages offerts par les différentes méthodes d’accélération disponibles aujourd’hui. L’objectif finale étant de proposer l’arrangement optimal des différents types d’accélération (RF, laser plasma, guide d’onde) avec leurs avantages et défauts

Contexte de travail

La thèse sera co-encadrée entre deux laboratoires (IJClab et PhLAM). Le laboratoire principal sera IJClab avec des missions régulières au PhLAM. Des déplacements sont à prévoir pour des réunions de collaborations et des conférences à l’internationale. Des réunions hebdomadaires avec le doctorant auront lieu pour assurer une direction unique. Ces réunions permettront de discuter des résultats et d’actualiser les travaux. Des présentations seront organisées dans la collaboration européenne TWAC, et des rapports intermédiaires réguliers serviront à la rédaction des publications et du manuscrit. Un comité de suivi annuel fournira des conseils sur la recherche et l’orientation professionnelle. En troisième année, du temps sera dédié à la préparation du manuscrit.

IJCLAB fonde sa politique de recrutement sur la promotion de l'égalité, de la diversité et de l'inclusion. Valeurs essentielles, elles permettent le développement professionnel des agents, véritables acteurs d'une réussite collective, mais également le développement du laboratoire lui-même.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Les expériences auront lieu dans un environnement laser et de rayonnement ionisant pour lequel une formation sera nécessaire.