Driving Plasma Wakefields With Par4cle beams and laser - PowerPoint PPT Presentation

Driving ¡Plasma ¡Wakefields ¡ With ¡Par4cle ¡beams ¡and ¡laser ¡beams ¡ James ¡Holloway ¡ University ¡College ¡London, ¡London, ¡UK ¡ ¡ ¡ Supervisor: ¡ Professor ¡Peter ¡Norreys ¡ University ¡of ¡Oxford, ¡Oxfordshire, ¡UK ¡ Central ¡Laser ¡Facility, ¡Rutherford ¡Appleton ¡Laboratory, ¡UK ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Physics ¡around ¡two ¡thirds ¡of ¡England ¡ Graduated ¡ BSc ¡2008 ¡

Imperial ¡College: ¡Plasma ¡Wakefield ¡Accelera4on ¡ First ¡encountered ¡PWA ¡at ¡Imperial ¡College ¡ • Worked ¡with ¡Zulfikar ¡Najmudin ¡simulaKng ¡ • laser ¡driven ¡PWA ¡ First ¡heard ¡about ¡AWAKE ¡collaboraKon ¡(at ¡ • the ¡Kme ¡called ¡PDPWA) ¡ Started ¡simulaKng ¡using ¡PIC ¡codes ¡ •

Imperial ¡College: ¡Plasma ¡Wakefield ¡Accelera4on ¡ InvesKgated ¡driver ¡beam ¡ • length ¡on ¡PWA ¡ Cross ¡checked ¡theoreKcal ¡ • model ¡against ¡code ¡ Performed ¡technical ¡ • parameter ¡scans ¡(resoluKon, ¡ parKcle ¡per ¡cell ¡etc.) ¡ Wakefield ¡driven ¡vs ¡beam ¡length ¡ Started ¡simulaKng ¡real ¡parKcle ¡ • beams ¡propagaKng ¡through ¡ plasma ¡(the ¡SPS ¡beam) ¡ SPS ¡450 ¡GeV ¡proton ¡beam ¡

Physics ¡around ¡two ¡thirds ¡of ¡England ¡ Graduated ¡ Msc ¡2010 ¡

University ¡College ¡London ¡ Started ¡PhD ¡at ¡University ¡College ¡London ¡ • Supervisors ¡M. ¡Wing ¡and ¡P. ¡Norreys ¡ • Joined ¡the ¡AWAKE ¡collaboraKon ¡(sKll ¡called ¡ • PDPWA) ¡ Professor ¡MaXhew ¡Wing ¡ Started ¡devising ¡a ¡way ¡to ¡use ¡the ¡Diamond ¡ • ¡ beam ¡to ¡drive ¡PWA ¡ ¡ ¡ Joined ¡an ¡Imperial ¡College ¡experiment ¡ • ¡ ¡ using ¡the ¡Astra ¡Gemini ¡laser ¡beam ¡to ¡drive ¡ PWA ¡ Professor ¡Peter ¡Norreys ¡ ¡

Physics ¡around ¡two ¡thirds ¡of ¡England ¡

The ¡Astra ¡Gemini ¡Experiment ¡ 8 ¡week ¡run ¡ • Use ¡the ¡14 ¡Joule ¡40 ¡fs ¡laser ¡to ¡ • drive ¡high ¡amplitude ¡wakefield ¡ Generate ¡bright ¡X-­‑rays ¡from ¡ • wakefield ¡and ¡use ¡for ¡phase ¡ contrast ¡imaging ¡ Learnt ¡experimental ¡skills ¡as ¡a ¡ • few ¡tricks ¡of ¡the ¡trade ¡from ¡ Astra ¡Gemini ¡laser ¡room ¡ highly ¡experienced ¡Imperial ¡ team ¡ Got ¡my ¡name ¡on ¡first ¡paper ¡ • Astra ¡Gemini ¡target ¡area ¡

The ¡Astra ¡TA2 ¡experiment ¡ 6+ ¡month ¡run ¡(!) ¡ • Use ¡a ¡laser ¡pulse ¡several ¡plasma ¡ • periods ¡long ¡to ¡drive ¡a ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ wakefield ¡– ¡look ¡for ¡self-­‑ modulaKon ¡of ¡the ¡laser ¡pulse. ¡ Frequency ¡of ¡the ¡modulaKon ¡is ¡ • the ¡plasma ¡frequency. ¡ Astra ¡Gemini ¡laser ¡room ¡ The ¡Plasma ¡ • n e ¡= ¡10 17 ¡-­‑ ¡10 19 ¡m -­‑3 ¡ • Ion ¡= ¡He ¡ • E r ¡= ¡1 ¡GVm -­‑1 ¡ Diamond ¡Booster ¡ ¡ Astra ¡Laser ¡ E ¡= ¡600 ¡mJ ¡ ¡ • • σ t ¡= ¡200 ¡fs ¡ • σ r ¡= ¡20 ¡um ¡ • λ ¡= ¡800 ¡nm ¡ Astra ¡Gemini ¡target ¡area ¡

¡ ¡The ¡lengthened ¡Astra ¡Laser ¡ ¡ ¡Introducing ¡GVD ¡at ¡the ¡start ¡of ¡the ¡laser ¡chain ¡

¡ ¡Astra ¡TA2 ¡experiment ¡ 200 ¡fs ¡laser ¡pulse ¡enters ¡ • vacuum ¡chamber ¡ Impinges ¡He ¡gas ¡target ¡ • Drives ¡a ¡wakefield ¡ • Surviving ¡laser ¡light ¡ • collected ¡by ¡FROG ¡

FROG ¡– ¡Full ¡Intensity ¡and ¡Phase ¡Measurement ¡

FROG ¡– ¡Full ¡Intensity ¡and ¡Phase ¡Measurement ¡

¡ ¡Laser ¡Emerging ¡from ¡Plasma ¡

¡ ¡Laser ¡Emerging ¡from ¡Plasma ¡-­‑ ¡Simula4ons ¡

¡ ¡Measured ¡Plasma ¡Density ¡

Physics ¡around ¡two ¡thirds ¡of ¡England ¡

The ¡Diamond ¡Light ¡Source ¡Proposal ¡ 1. Micro-­‑bunch ¡the ¡Diamond ¡beam ¡using ¡ ‘Wakefield ¡Lens’ ¡design ¡ 2. Drive ¡E ¡= ¡2 ¡GVm -­‑1 ¡wakefield ¡in ¡second ¡ plasma ¡stage ¡ 3. Brilliant ¡X-­‑rays ¡generated ¡from ¡radial ¡ oscillaKons ¡of ¡micro-­‑bunches ¡ 4. Accelerate ¡witness ¡electron ¡beam ¡to ¡ greater ¡than ¡3 ¡GeV ¡ Diamond ¡Booster ¡Beam ¡ Have ¡been ¡in ¡talks ¡with ¡Diamond ¡ • • E ¡= ¡3 ¡GeV ¡ ¡ personnel ¡ • ε ¡= ¡140 ¡nm ¡rad ¡ ¡ Devised ¡a ¡way ¡to ¡perform ¡experiment ¡ • • σ z ¡= ¡26 ¡mm ¡ ¡ without ¡intrusion ¡ • Q ¡= ¡2 ¡nC ¡

Micro-­‑Bunching ¡Via ¡‘Wakefield ¡Lens ¡and ¡DriG ¡Space’ ¡ + ¡ + ¡ -­‑ ¡ -­‑ ¡ + ¡ -­‑ ¡ + ¡ + ¡ + ¡ Long ¡electron ¡beam ¡ plasma ¡ led ¡by ¡laser ¡ Strong ¡ ¡transverse ¡ • kick ¡from ¡laser ¡ wakefield ¡ Second ¡ Propagate ¡beam ¡ • + ¡ plasma ¡ ¡ through ¡vacuum ¡ cell ¡ Pass ¡micro-­‑bunches ¡ • into ¡second ¡plasma ¡ Vacuum ¡ stage ¡ Micro-­‑bunched ¡driver ¡beam. ¡

Plasma ¡ Number ¡density ¡ • n e ¡= ¡2.8 ¡x ¡10 16 ¡cm -­‑3 ¡ enhanced ¡by ¡an ¡ • λ p ¡= ¡200 ¡um ¡ order ¡of ¡ • E r ¡= ¡1 ¡GVm -­‑1 ¡ magnitude ¡ ¡ Electron ¡beam ¡ E ¡ ¡= ¡300 ¡MeV ¡ ¡ • • ¡ε p ¡= ¡0 ¡ • ¡σ z ¡= ¡0.6 ¡cm ¡ ¡ • ¡σ r ¡= ¡√2 ¡/ ¡k p ¡ • ¡Q ¡= ¡0.1 ¡nC ¡

The ¡Diamond ¡Experiment ¡ Serveral ¡slides ¡of ¡tour ¡of ¡Diamond! ¡ Transfer ¡ ¡ Line ¡ Pictures ¡by ¡Michael ¡Bloom, ¡Imperial ¡College. ¡

The ¡‘DriG ¡Space’ ¡Design ¡

Wakefield ¡Driven ¡by ¡Micro-­‑bunched ¡Beam ¡ 1 ¡GVm -­‑1 ¡ ¡Caesium ¡ Hydrogen ¡

Ion ¡MoLon ¡ B ¡ A ¡ Ion ¡Density ¡ Ion ¡Density ¡(disrupted) ¡ B ¡ A ¡ Electric ¡Field ¡(disrupted) ¡ Electric ¡Field ¡

The ¡Micro-­‑Bunched ¡Diamond ¡Beam ¡ • High ¡resoluKon ¡ simulaKon ¡ • Resolve ¡laser ¡ wavelength ¡ • 4096 ¡cores ¡ over ¡2 ¡weeks ¡

Coherent ¡ ¡ OscillaLons ¡

Coherent ¡OscillaLons ¡ 2.5 ¡cm ¡plasma ¡stage ¡

Incoherent ¡OscillaLons ¡ 12.75 ¡cm ¡plasma ¡stage ¡

OscillaLons ¡in ¡a ¡Narrow ¡Region ¡ Red ¡ Green ¡ Blue ¡

Plasma ¡as ¡an ¡X-­‑ray ¡Source ¡ Brilliance (phot. s − 1 mm − 2 mrad − 2 0.1% BW − 1 ) 35 10 TESLA SASE FELS TTF − FEL (m) LCLS Incoherent Diamond Plasma Wiggler 30 TESLA 10 Spontaneous Undulator Diamond TTF − FEL Plasma Wiggler Spring8 Spontaneous ESRF Undulator Spectrum 25 10 Undulator SASE FEL TTF − FEL (ID23) Spontaneous APS BESSY − II Undulator U − 49 BESSY − II PETRA U − 125 Undulator 20 ALS U50 10 − 2 0 2 4 10 10 10 10 Photon Energy (keV)

Physics ¡around ¡two ¡thirds ¡of ¡England ¡

Work ¡at ¡Oxford ¡ Current ¡ Future ¡ SubmiXed ¡ERC ¡funding ¡ Machine ¡learning ¡as ¡a ¡tool ¡for ¡ • • applicaKon ¡to ¡fund ¡the ¡ parameter ¡opKmisaKon ¡for ¡ Diamond ¡experiment ¡ PWA ¡experiments ¡ Further ¡developing ¡photon ¡ Co-­‑ordinate ¡with ¡EPOCH ¡ • • acceleraKon ¡as ¡a ¡plasma ¡ developers ¡to ¡develop ¡physics ¡ diagnosKc ¡ packages ¡relevant ¡to ¡PWA ¡ Upcoming ¡12 ¡week ¡ Study ¡in ¡ion ¡moKon ¡and ¡ • • experimental ¡slot ¡at ¡Astra ¡ miKgaKng ¡it’s ¡disrupKve ¡ Co-­‑ordinaKng ¡PIC ¡and ¡HPC ¡ effects ¡on ¡PWA ¡ • knowledge ¡across ¡JAI ¡(via ¡ pooling ¡knowledge ¡into ¡online ¡ wiki) ¡