1
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Pompili R, Anania MP, Biagioni A, Carillo M, Chiadroni E, Cianchi A, Costa G, Curcio A, Crincoli L, Del Dotto A, Del Giorno M, Demurtas F, Galletti M, Giribono A, Lollo V, Opromolla M, Parise G, Pellegrini D, Di Pirro G, Romeo S, Silvi GJ, Verra L, Villa F, Zigler A, Ferrario M. Acceleration and focusing of relativistic electron beams in a compact plasma device. Phys Rev E 2024; 109:055202. [PMID: 38907494 DOI: 10.1103/physreve.109.055202] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/19/2024] [Accepted: 04/11/2024] [Indexed: 06/24/2024]
Abstract
Plasma wakefield acceleration represented a breakthrough in the field of particle accelerators by pushing beams to gigaelectronvolt energies within centimeter distances. The large electric fields excited by a driver pulse in the plasma can efficiently accelerate a trailing witness bunch paving the way toward the realization of laboratory-scale applications like free-electron lasers. However, while the accelerator size is tremendously reduced, upstream and downstream of it the beams are still handled with conventional magnetic optics with sizable footprints and rather long focal lengths. Here we show the operation of a compact device that integrates two active-plasma lenses with short focal lengths to assist the plasma accelerator stage. We demonstrate the focusing and energy gain of a witness bunch whose phase space is completely characterized in terms of energy and emittance. These results represent an important step toward the accelerator miniaturization and the development of next-generation table-top machines.
Collapse
Affiliation(s)
- R Pompili
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M P Anania
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Biagioni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M Carillo
- University of Rome Sapienza, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - E Chiadroni
- University of Rome Sapienza, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - A Cianchi
- University of Rome Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- INFN Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- NAST Center, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - G Costa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Curcio
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - L Crincoli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Del Dotto
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M Del Giorno
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - F Demurtas
- University of Rome Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - M Galletti
- University of Rome Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- INFN Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- NAST Center, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - A Giribono
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - V Lollo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M Opromolla
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - G Parise
- University of Rome Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - D Pellegrini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - G Di Pirro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - S Romeo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - G J Silvi
- University of Rome Sapienza, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - L Verra
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - F Villa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Zigler
- Racah Institute of Physics, Hebrew University, 91904 Jerusalem, Israel
| | - M Ferrario
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| |
Collapse
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2
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Galletti M, Alesini D, Anania MP, Arjmand S, Behtouei M, Bellaveglia M, Biagioni A, Buonomo B, Cardelli F, Carpanese M, Chiadroni E, Cianchi A, Costa G, Del Dotto A, Del Giorno M, Dipace F, Doria A, Filippi F, Franzini G, Giannessi L, Giribono A, Iovine P, Lollo V, Mostacci A, Nguyen F, Opromolla M, Pellegrino L, Petralia A, Petrillo V, Piersanti L, Di Pirro G, Pompili R, Romeo S, Rossi AR, Selce A, Shpakov V, Stella A, Vaccarezza C, Villa F, Zigler A, Ferrario M. Stable Operation of a Free-Electron Laser Driven by a Plasma Accelerator. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2022; 129:234801. [PMID: 36563228 DOI: 10.1103/physrevlett.129.234801] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 08/02/2022] [Revised: 10/25/2022] [Accepted: 11/08/2022] [Indexed: 06/17/2023]
Abstract
The breakthrough provided by plasma-based accelerators enabled unprecedented accelerating fields by boosting electron beams to gigaelectronvolt energies within a few centimeters [1-4]. This, in turn, allows the realization of ultracompact light sources based on free-electron lasers (FELs) [5], as demonstrated by two pioneering experiments that reported the observation of self-amplified spontaneous emission (SASE) driven by plasma-accelerated beams [6,7]. However, the lack of stability and reproducibility due to the intrinsic nature of the SASE process (whose amplification starts from the shot noise of the electron beam) may hinder their effective implementation for user purposes. Here, we report a proof-of-principle experiment using plasma-accelerated beams to generate stable and reproducible FEL light seeded by an external laser. FEL radiation is emitted in the infrared range, showing the typical exponential growth of its energy over six consecutive undulators. Compared to SASE, the seeded FEL pulses have energies 2 orders of magnitude larger and stability that is 3 times higher.
Collapse
Affiliation(s)
- M Galletti
- Department of Physics, Università di Roma Tor Vergata, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- INFN-Tor Vergata, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- NAST Center, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - D Alesini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M P Anania
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - S Arjmand
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M Behtouei
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M Bellaveglia
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Biagioni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - B Buonomo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - F Cardelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - M Carpanese
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati, Italy
| | - E Chiadroni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - A Cianchi
- Department of Physics, Università di Roma Tor Vergata, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- INFN-Tor Vergata, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
- NAST Center, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - G Costa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Del Dotto
- ENEA, C.R. Brasimone, 40032, Camugnano, Bologna, Italy
| | - M Del Giorno
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - F Dipace
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Doria
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati, Italy
| | - F Filippi
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati, Italy
| | - G Franzini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - L Giannessi
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Giribono
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - P Iovine
- INFN-Napoli, Via Cintia, 80126 Naples, Italy
| | - V Lollo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Mostacci
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - F Nguyen
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati, Italy
| | - M Opromolla
- Università degli Studi di Milano, Via Celoria 16 20133 Milano Italy
- INFN-Milano, Via Celoria 16, 20133 Milan, Italy
| | - L Pellegrino
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Petralia
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati, Italy
| | - V Petrillo
- Università degli Studi di Milano, Via Celoria 16 20133 Milano Italy
- INFN-Milano, Via Celoria 16, 20133 Milan, Italy
| | - L Piersanti
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - G Di Pirro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - R Pompili
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - S Romeo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A R Rossi
- INFN-Milano, Via Celoria 16, 20133 Milan, Italy
| | - A Selce
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, via Enrico Fermi 45, 00044 Frascati, Italy
- INFN-Roma Tre, Via della Vasca Navale 84, 00146 Roma RM, Italy
| | - V Shpakov
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Stella
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - C Vaccarezza
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - F Villa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| | - A Zigler
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
- Racah Institute of Physics, Hebrew University, 91904 Jerusalem, Israel
| | - M Ferrario
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 54, 00044 Frascati, Italy
| |
Collapse
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3
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Pompili R, Alesini D, Anania MP, Arjmand S, Behtouei M, Bellaveglia M, Biagioni A, Buonomo B, Cardelli F, Carpanese M, Chiadroni E, Cianchi A, Costa G, Del Dotto A, Del Giorno M, Dipace F, Doria A, Filippi F, Galletti M, Giannessi L, Giribono A, Iovine P, Lollo V, Mostacci A, Nguyen F, Opromolla M, Di Palma E, Pellegrino L, Petralia A, Petrillo V, Piersanti L, Di Pirro G, Romeo S, Rossi AR, Scifo J, Selce A, Shpakov V, Stella A, Vaccarezza C, Villa F, Zigler A, Ferrario M. Free-electron lasing with compact beam-driven plasma wakefield accelerator. Nature 2022; 605:659-662. [PMID: 35614244 DOI: 10.1038/s41586-022-04589-1] [Citation(s) in RCA: 16] [Impact Index Per Article: 8.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/11/2021] [Accepted: 02/25/2022] [Indexed: 11/09/2022]
Abstract
The possibility to accelerate electron beams to ultra-relativistic velocities over short distances by using plasma-based technology holds the potential for a revolution in the field of particle accelerators1-4. The compact nature of plasma-based accelerators would allow the realization of table-top machines capable of driving a free-electron laser (FEL)5, a formidable tool to investigate matter at the sub-atomic level by generating coherent light pulses with sub-ångström wavelengths and sub-femtosecond durations6,7. So far, however, the high-energy electron beams required to operate FELs had to be obtained through the use of conventional large-size radio-frequency (RF) accelerators, bound to a sizeable footprint as a result of their limited accelerating fields. Here we report the experimental evidence of FEL lasing by a compact (3-cm) particle-beam-driven plasma accelerator. The accelerated beams are completely characterized in the six-dimensional phase space and have high quality, comparable with state-of-the-art accelerators8. This allowed the observation of narrow-band amplified radiation in the infrared range with typical exponential growth of its intensity over six consecutive undulators. This proof-of-principle experiment represents a fundamental milestone in the use of plasma-based accelerators, contributing to the development of next-generation compact facilities for user-oriented applications9.
Collapse
Affiliation(s)
- R Pompili
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy.
| | - D Alesini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - M P Anania
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - S Arjmand
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - M Behtouei
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | | | - A Biagioni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - B Buonomo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - F Cardelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - M Carpanese
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | - E Chiadroni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Cianchi
- University of Rome Tor Vergata, Rome, Italy.,INFN Tor Vergata, Rome, Italy.,NAST Center, Rome, Italy
| | - G Costa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Del Dotto
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - M Del Giorno
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - F Dipace
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Doria
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | - F Filippi
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | - M Galletti
- University of Rome Tor Vergata, Rome, Italy.,INFN Tor Vergata, Rome, Italy.,NAST Center, Rome, Italy
| | - L Giannessi
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Giribono
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | | | - V Lollo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | | | - F Nguyen
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | | | - E Di Palma
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | - L Pellegrino
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Petralia
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | | | - L Piersanti
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - G Di Pirro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - S Romeo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | | | - J Scifo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Selce
- ENEA Fusion and Technology for Nuclear Safety and Security Department (FSN), C.R. Frascati, Frascati, Italy
| | - V Shpakov
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Stella
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - C Vaccarezza
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - F Villa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
| | - A Zigler
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy.,Racah Institute of Physics, Hebrew University, Jerusalem, Israel
| | - M Ferrario
- Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
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Collapse
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4
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Shpakov V, Anania MP, Bellaveglia M, Biagioni A, Bisesto F, Cardelli F, Cesarini M, Chiadroni E, Cianchi A, Costa G, Croia M, Del Dotto A, Di Giovenale D, Diomede M, Ferrario M, Filippi F, Giribono A, Lollo V, Marongiu M, Martinelli V, Mostacci A, Piersanti L, Di Pirro G, Pompili R, Romeo S, Scifo J, Vaccarezza C, Villa F, Zigler A. Longitudinal Phase-Space Manipulation with Beam-Driven Plasma Wakefields. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2019; 122:114801. [PMID: 30951354 DOI: 10.1103/physrevlett.122.114801] [Citation(s) in RCA: 4] [Impact Index Per Article: 0.8] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/04/2018] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
The development of compact accelerator facilities providing high-brightness beams is one of the most challenging tasks in the field of next-generation compact and cost affordable particle accelerators, to be used in many fields for industrial, medical, and research applications. The ability to shape the beam longitudinal phase space, in particular, plays a key role in achieving high-peak brightness. Here we present a new approach that allows us to tune the longitudinal phase space of a high-brightness beam by means of plasma wakefields. The electron beam passing through the plasma drives large wakefields that are used to manipulate the time-energy correlation of particles along the beam itself. We experimentally demonstrate that such a solution is highly tunable by simply adjusting the density of the plasma and can be used to imprint or remove any correlation onto the beam. This is a fundamental requirement when dealing with largely time-energy correlated beams coming from future plasma accelerators.
Collapse
Affiliation(s)
- V Shpakov
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M P Anania
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Bellaveglia
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Biagioni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Bisesto
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Cardelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Cesarini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - E Chiadroni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Cianchi
- University of Rome Tor Vergata and INFN, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - G Costa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Croia
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Del Dotto
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - D Di Giovenale
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Diomede
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - M Ferrario
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Filippi
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Giribono
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - V Lollo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Marongiu
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - V Martinelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Mostacci
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - L Piersanti
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - G Di Pirro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - R Pompili
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - S Romeo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - J Scifo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - C Vaccarezza
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Villa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Zigler
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
- Racah Institute of Physics, Hebrew University, 91904 Jerusalem, Israel
| |
Collapse
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5
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Pompili R, Anania MP, Bellaveglia M, Biagioni A, Bini S, Bisesto F, Brentegani E, Cardelli F, Castorina G, Chiadroni E, Cianchi A, Coiro O, Costa G, Croia M, Di Giovenale D, Ferrario M, Filippi F, Giribono A, Lollo V, Marocchino A, Marongiu M, Martinelli V, Mostacci A, Pellegrini D, Piersanti L, Di Pirro G, Romeo S, Rossi AR, Scifo J, Shpakov V, Stella A, Vaccarezza C, Villa F, Zigler A. Focusing of High-Brightness Electron Beams with Active-Plasma Lenses. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2018; 121:174801. [PMID: 30411933 DOI: 10.1103/physrevlett.121.174801] [Citation(s) in RCA: 12] [Impact Index Per Article: 2.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/04/2018] [Indexed: 06/08/2023]
Abstract
Plasma-based technology promises a tremendous reduction in size of accelerators used for research, medical, and industrial applications, making it possible to develop tabletop machines accessible for a broader scientific community. By overcoming current limits of conventional accelerators and pushing particles to larger and larger energies, the availability of strong and tunable focusing optics is mandatory also because plasma-accelerated beams usually have large angular divergences. In this regard, active-plasma lenses represent a compact and affordable tool to generate radially symmetric magnetic fields several orders of magnitude larger than conventional quadrupoles and solenoids. However, it has been recently proved that the focusing can be highly nonlinear and induce a dramatic emittance growth. Here, we present experimental results showing how these nonlinearities can be minimized and lensing improved. These achievements represent a major breakthrough toward the miniaturization of next-generation focusing devices.
Collapse
Affiliation(s)
- R Pompili
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M P Anania
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Bellaveglia
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Biagioni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - S Bini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Bisesto
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - E Brentegani
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Cardelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - G Castorina
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - E Chiadroni
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Cianchi
- University or Rome Tor Vergata and INFN, Via Ricerca Scientifica 1, 00133 Rome, Italy
| | - O Coiro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - G Costa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Croia
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - D Di Giovenale
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Ferrario
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Filippi
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Giribono
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - V Lollo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Marocchino
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - M Marongiu
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - V Martinelli
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Mostacci
- Sapienza University, Piazzale Aldo Moro 5, 00185 Rome, Italy
| | - D Pellegrini
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - L Piersanti
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - G Di Pirro
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - S Romeo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A R Rossi
- INFN Milano, via Celoria 16, 20133 Milan, Italy
| | - J Scifo
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - V Shpakov
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Stella
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - C Vaccarezza
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - F Villa
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
| | - A Zigler
- Laboratori Nazionali di Frascati, Via Enrico Fermi 40, 00044 Frascati, Italy
- Racah Institute of Physics, Hebrew University, 91904 Jerusalem, Israel
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