INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
SL_COMB2FEL è un esperimento della durata di cinque anni (2019-2023), finanziato alla CSN5 dell’INFN e condotto a SPARC_LAB, con l’obiettivo di dimostrare l’accelerazione nel plasma (PWFA) di un fascio di elettroni di alta brillanza attraverso la misura finale della curva di guadagno della radiazione FEL (Laser a Elettroni Liberi).
Per favorire il successo dell’esperimento, la lunga collaborazione tra i LNF, Milano, Roma1, Roma2, Napoli e Lecce è stata rinnovata e prevede la partecipazione di ciascuna unità con il proprio expertise.
Quest’attività di ricerca è integrata nel programma Horizon 2020 per il Design Study di EuPRAXIA (“European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications”) per la realizzazione di una user facility basata su accelerazione a plasma, ed è di particolare interesse per lo sviluppo della test user facility EuPRAXIA@SPARC_LAB.
Sulla base dell’esperienza acquisita a SPARC_LAB durante l’esperimento SL_COMB, prevediamo di studiare, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, l’impatto delle rampe di densità di plasma in ingresso e uscita dal capillare e l’eventuale non uniformità del profilo di plasma sull’efficienza di accelerazione e sulla qualità del fascio di elettroni, come richiesto per pilotare un Laser a Elettroni Liberi (FEL). A tal fine, abbiamo avviato in laboratorio la caratterizzazione di capillari a scarica per l’ottimizzazione del profilo di densità. Inoltre, la buona riuscita dell’esperimento, quindi la misura della curva di guadagno del FEL, dipende fortemente anche dall’ottimizzazione del canale di trasporto dal modulo accelerante di plasma all’ondulatore. A questo proposito, sono in corso studi teorici e sperimentali volti all’integrazione di lenti a plasma attive nel canale di trasporto convenzionale.
L’approccio seguito in SL_COMB2FEL, con un fascio di elettroni, il driver, che eccita l’onda di plasma, il cui campo accelera un secondo fascio, il witness, iniettato alla fase accelerante, può garantire la qualità necessaria a generare radiazione FEL in regime SASE nell’ondulatore di SPARC, ad esempio un intervallo energetico <0.2% ed emittanza trasversa normalizzata <1 mm rad, come mostrato in figura.
A questo proposito, abbiamo considerato i risultati ottenuti attraverso la simulazione al plasma per fare una stima della lunghezza di guadagno e della potenza della radiazione del FEL SASE con i parametri di fascio e ondulatore di SPARC, dimostrandone la fattibilità, come mostrato in figura.
Recentemente, abbiamo dimostrato sperimentalmente a SPARC_LAB l’accelerazione di un fascio di elettroni nel plasma, preservandone l’energy spread entro lo 0.3%. Questo risultato è di grande interesse per la comunità scientifica, perchè rende fattibile un FEL pilotato da un acceleratore a plasma.