5th generation light sources based on underdense photocathode plasma wakefield acceleration

基于低密度光电阴极等离子体尾场加速的第​​五代光源

基本信息

  • 批准号:
    1823175
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2016 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The central importance of high-brightness, monochromatic, extremely short radiation pulses (with fs-duration) generated by a free-electron laser, which gives an in-depth insight into the structure of matter makes the development of free- electron laser (FEL) immensely attractive. Science, information technology, industry and medical benefit from such devices like FEL and moved forward in the past the respective discipline in their work. The above-mentioned radiation sources need high quality electron-beams with energy in the range of few hundred MeV up to tens of GeV, uncorrelated energy spread at the level of 0.1%, low emittance (emittance < 0.1mm - mrad) and high current (kA range). Currently the accelerating gradients in superconducting radiofrequency (SRF) cavities are in order of 100MV/m, meaning that an electron beam would require one meters of such SRF cavities to reach 100 MeV beam energy. Therefore, XFEL facility based on SRF technique becomes extremely bulky and expensive. Towards 5th generation light sources, future accelerators will require novel techniques for more compact designs at moderate costs. Much higher accelerating gradients can be realized by plasmas cavities. The acceleration gradients in thus plasmas cavities can be up to 100GV/m or more. Injecting electrons and trapping them in the plasmas cavities enable the potential to accelerate electrons to high energy in cm scale. This reduces significantly in size and cost, which may leads to a university laboratory scale FEL-facility. Injecting electrons into this plasmas cavity is a significant challenge in the PWFA community. One proposed, promising method is the plasma underdense photocathode (also called the "Trojan Horse") technique for directly injecting electrons in to the blowout due to a moderately intense laser-pulse. This method can potentially produce high quality electron beams with emittances down to nm level. With the "Trojan Horse"-technique generated electrons may be suitable for devices such as university-scale compact FEL and enlarged worldwide the access to XFEL facilities. In order to meet the requirement on electron beams for FEL the quality plasma accelerator based electron beams need to be improved further, i.e mainly in term of energy spread. In addition, a not negligible aspect of a 5th generation light sources is extraction and transport of electron beams generated in plasma accelerator to the aimed application. In particular potential transport optics has to avoid electron beam degradation.
自由电子激光器产生的高亮度、单色、极短辐射脉冲(具有 fs 持续时间)的核心重要性,它可以深入了解物质的结构,使得自由电子激光器(FEL)的发展成为可能。 )非常有吸引力。科学、信息技术、工业和医疗都受益于 FEL 等设备,并在各自的工作中向前推进了过去。上述辐射源需要能量在几百MeV到几十GeV范围内的高质量电子束,不相关能散度在0.1%水平,低发射率(发射率<0.1mm - mrad)和大电流(kA 范围)。目前,超导射频 (SRF) 腔中的加速梯度约为 100MV/m,这意味着电子束需要一米的此类 SRF 腔才能达到 100 MeV 束能量。因此,基于SRF技术的XFEL设备变得极其庞大且昂贵。对于第五代光源,未来的加速器将需要新颖的技术,以适中的成本实现更紧凑的设计。等离子体腔可以实现更高的加速梯度。因此等离子体腔中的加速度梯度可以高达100GV/m或更高。注入电子并将其捕获在等离子体腔中,可以将电子加速到厘米级的高能量。这大大减少了尺寸和成本,这可能会导致大学实验室规模的 FEL 设施。将电子注入等离子体腔是 PWFA 社区面临的重大挑战。一种提出的、有前途的方法是等离子体低密度光电阴极(也称为“特洛伊木马”)技术,用于通过中等强度的激光脉冲将电子直接注入井喷中。这种方法有可能产生发射率低至纳米级的高质量电子束。利用“特洛伊木马”技术产生的电子可能适用于大学规模的紧凑型 FEL 等设备,并扩大了全球 XFEL 设施的使用范围。为了满足FEL对电子束的要求,基于等离子体加速器的电子束的质量需要进一步改进,即主要在能量扩散方面。此外,第五代光源的一个不可忽视的方面是将等离子体加速器中产生的电子束提取并传输到目标应用。特别是电势传输光学器件必须避免电子束退化。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Stable and High-Quality Electron Beams from Staged Laser and Plasma Wakefield Accelerators
来自分级激光和等离子体韦克场加速器的稳定且高质量的电子束
  • DOI:
    10.1103/physrevx.12.041016
  • 发表时间:
    2022-06-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    12.5
  • 作者:
    F. Foerster;A. Döpp;F. Haberstroh;K. Grafenstein;D. Campbell;Y.;S. Corde;J. Couperus Cabadağ;A. Debus;M. Gilljohann;A. F. Habib;T. Heinemann;B. Hidding;A. Irman;F. Irshad;A. Knetsch;O. Kononenko;A. Martinez de la Ossa;A. Nutter;R. Pausch;G. Schilling;A. Schletter;S. Schöbel;U. Schramm;E. Travac;P. Ufer;S. Karsch
  • 通讯作者:
    S. Karsch
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Generation and acceleration of electron bunches from a plasma photocathode
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  • DOI:
    10.1038/s41567-019-0610-9
  • 发表时间:
    2019-11-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    19.6
  • 作者:
    Aihua Deng;Aihua Deng;O. Karger;T. Heinemann;T. Heinemann;A. Knetsch;P. Scherkl;P. Scherkl
  • 通讯作者:
    P. Scherkl
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  • DOI:
    10.1002/andp.202200655
  • 发表时间:
    2023-09-17
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    A. F. Habib;T. Heinemann;G. Manahan;D. Ullmann;P. Scherkl;A. Knetsch;A. Sutherl;A. Beaton;David Campbell;Lorne Rutherford;Lewis Boulton;A. Nutter;O. Karger;M. Litos;Brendon D. O'Shea;G. Andonian;D. Bruhwiler;G. Pretzler;Thomas Wilson;Zhengming Sheng;Michael Stumpf;L. Reichwein;A. Pukhov;J. Cary;M. Hogan;V. Yakimenko;J. Rosenzweig;B. Hidding
  • 通讯作者:
    B. Hidding
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