From SPARC_LAB to EuPRAXIA Massimo.Ferrario@LNF.INFN.IT Courtesy - PowerPoint PPT Presentation

From SPARC_LAB to EuPRAXIA Massimo.Ferrario@LNF.INFN.IT Courtesy BELLA LAL – Orsay, 7 March 2017

Hawking: the Solartron Towards the Planck scale: 1.22 × 10 19 GeV Without further novel technology, we will eventually need an accelerator as large as Hawking expected. “The Universe in a Nutshell”, by Stephen William Hawking, Bantam, 2001

HIGH GRADIENT AAC ROAD MAP ① Miniaturization of the accelerating structures ( ~ resonant) and beam manipulation components ② Wake Field Acceleration ( ~ transient) (LWFA, PWFA, DWFA) • Power sources • Accelerating structures • High quality beams

High field ->Short wavelength->ultra-short bunches-> low charge

Performance ¡summary ¡at ¡CLIC ¡specificaEons ¡ " % − 15 30 τ 5 ÷ ω BDR = E surf 2 ' ? $ # & LINAC16, ¡East ¡Lansing, ¡27 ¡September ¡2016 ¡ Walter ¡Wuensch, ¡CERN ¡

Plasma Accelerator positrons Breakdown limit?

Future ¡of ¡Accelerators ¡ FC FCC Conceptual Design started LHC HiLumi muons IL ILC Technical Design exists FAIR E-XFEL Waiting funding decision LHeC ERL SuperKEKb SwissFEL ESS LBNL LWFA 2014 Hadron acc. project Lepton acc. project Hadron acc. proposal Lepton acc. proposal R. ¡Assmann, ¡EAAC ¡2015, ¡9/2015 ¡

Beam Driven Plasma Blumenfeld, ¡I. ¡et ¡al. ¡ Energy ¡doubling ¡of ¡42 ¡GeV ¡electrons ¡ in ¡ a ¡ metre-­‑scale ¡ plasma ¡ wakefield ¡ accelerator . ¡ Nature ¡ 445, ¡741–744 ¡(2007). ¡ Litos, ¡M. ¡et ¡al. ¡ High-­‑efficiency ¡accelera@on ¡of ¡an ¡electron ¡ beam ¡in ¡a ¡plasma ¡wakefield ¡accelerator . ¡Nature ¡ 515, ¡92– 95 ¡(2014). ¡

EUROPEAN PLASMA RESEARCH ACCELERATOR WITH EXCELLENCE IN APPLICATIONS This ¡project ¡has ¡received ¡funding ¡from ¡the ¡European ¡Union’s ¡Horizon ¡2020 ¡ research ¡and ¡innovaEon ¡programme ¡under ¡grant ¡agreement ¡No ¡653782. ¡

ParEcipaEng ¡InsEtuEons ¡ Horizon ¡2020 ¡ USTRATH ¡ University ¡of ¡Strathclyde, ¡UK ¡ STFC ¡ Science ¡& ¡Technology ¡FaciliEes ¡ DESY ¡ Council, ¡UK ¡ SEZung ¡Deutsches ¡Elektronen ¡Synchrotron, ¡ UNIMAN ¡ Germany ¡ University ¡of ¡Manchester�, ¡UK ¡ UHH ¡ ULIV ¡ Universität ¡Hansestadt ¡Hamburg, ¡Germany ¡ University ¡of ¡Liverpool�, ¡UK ¡ ICL ¡ Imperial ¡College ¡London, ¡UK ¡ 5 ¡ UOXF ¡ 13 10 7 9 16 1 University ¡of ¡Oxford, ¡UK ¡ 15 4 5 14 ¡ 6 4 3 8 Associated ¡Partners ¡ ¡ 8 7 9 2 (as ¡of ¡August ¡2016) ¡ 14 12 3 6 11 15 2 10 13 INFN ¡ JUS ¡ Jiao ¡Tong-­‑University ¡Shanghai ¡ 16 1 11 12 CNRS ¡ 1 InsEtuto ¡Nazionale ¡di ¡Fisica ¡Nucleare, ¡Italy ¡ TUB ¡ Tsingua ¡University ¡Beijing ¡ Centre ¡NaEonal ¡de ¡la ¡Recherche ¡ 2 ScienEfique, ¡France ¡ ¡ CNR ¡ ELI-­‑B ¡ ¡Extreme ¡Light ¡Infrastructure-­‑Beams ¡ 3 SOLEIL ¡ Consiglio ¡Nazionale ¡delle ¡Ricerche, ¡Italy ¡ Synchrotron ¡SOLEIL ¡-­‑ ¡French ¡NaEonal ¡ PHLAM ¡ Lille ¡University ¡ 4 Synchrotron�, ¡France ¡ ¡ ENEA ¡ HIJ ¡Helmholtz ¡InsEtute ¡Jena ¡ 5 CEA ¡ ¡ Agenzia ¡nazionale ¡per ¡le ¡nuove ¡tecnologie, ¡ IST-­‑ID ¡ Commissariat ¡à ¡l'Énergie ¡Atomique ¡et ¡ HZDR ¡ Helmholtz-­‑Zentrum ¡Dresden-­‑Rossendorf ¡ 6 l'energia ¡e ¡lo ¡sviluppo ¡economico ¡sostenibile, ¡ aux ¡énergies ¡alternaEves, ¡France ¡ Associacao ¡do ¡insEtuto ¡superior ¡tecnico ¡para ¡a ¡ Italy ¡ ¡ LMU ¡ Ludwig-­‑Maximilians-­‑Universität ¡München ¡ invesEgacao ¡e ¡desenvolvimento, ¡ ¡Portugal ¡ 7 UROM ¡ WIGNER ¡Wigner ¡Research ¡Centre ¡of ¡the ¡Hungarian ¡Academy ¡of ¡Science ¡ Sapienza ¡Universita ¡di ¡Roma, ¡Italy ¡ 8 ¡ CERN ¡European ¡OrganizaEon ¡for ¡Nuclear ¡Research ¡ 9 KPSI/JAEA ¡Kansai ¡Photon ¡Science ¡InsEtute, ¡Japan ¡Atomic ¡Energy ¡Agency ¡ 10 OU ¡Osaka ¡University ¡ 11 RSC ¡RIKEN ¡SPring-­‑8 ¡Center ¡ 12 LU ¡Lund ¡University ¡ 13 CASE ¡Center ¡for ¡Accelerator ¡Science ¡and ¡EducaEon ¡at ¡Stony ¡Brook ¡U ¡& ¡BNL ¡ 14 LBNL ¡Lawrence ¡Berkeley ¡NaEonal ¡Laboratory ¡ 15 UCLA ¡University ¡of ¡California, ¡Los ¡Angeles ¡ 16

SPARC_LAB

HB photo- injector with Velocity Bunching

Velocity bunching concept (RF Compressor) If the beam injected in a long accelerating structure at the crossing field phase and it is slightly slower than the phase velocity of the RF wave , it will slip back to phases where the field is accelerating, but at the same time it will be chirped and compressed.

Thz source

Free Electron Laser

Thomson back-scattering source

Ti:Sa FLAME laser LWFA ¡ Stretcher ¡ Amplifiers ¡ Compressor ¡ Electron ¡Self ¡InjecEon ¡ And ¡ Protons ¡

Ti:Sa FLAME laser

Laser Comb technique: generation of a train of short bunches - P.O.Shea et al., Proc. of 2001 IEEE PAC, Chicago, USA (2001) p.704. (Low charge regime only) - M. Ferrario. M. Boscolo et al., Int. J. of Mod. Phys. B, 2006 (High charge, Beam Echo)

Driving and witness bunches generation Energy ¡parEEon ¡ HWP ¡ PBS ¡ CPA ¡ Ti:Sapphire ¡+ ¡ Periodic ¡mulEbunch ¡ harm. ¡gen. ¡ drivers ¡ αBBOs ¡ Variable ¡delay ¡ ¡ witness ¡ HWP ¡ Motorized ¡stage ¡ to ¡the ¡photocathode ¡ PBS ¡ half ¡drivers ¡energy ¡

C-Band accelerating structure and PWFA chamber

PWFA – Particle Wake Field Accelerator THz EOS NO impedenze PWFA Capture Focusing module PMQ PMQ

Plasma ¡Source ¡ P H2 ¡= ¡10 ¡mbar ¡ Total ¡discharge ¡duraEon: ¡800 ¡ns ¡ ¡ Voltage: ¡20 ¡kV ¡ Peak ¡current: ¡200 ¡A ¡ ¡ Capacitor: ¡6 ¡nF ¡ Courtesy ¡of ¡M. ¡P. ¡Anania, ¡A. ¡Biagioni, ¡D. ¡Di ¡Giovenale, ¡F. ¡Filippi, ¡S. ¡Pella ¡

Capillary Discharge at SPARC_LAB

Beam ¡ManipulaMon ¡

Plasma Driven FEL under investigation THz EOS NO impedenze PWFA Capture Focusing module Plasma Lens Plasma Lens

The Future

EuPRAXIA@SPARC_LAB

SPARC ¡ FLAME ¡

20 ¡m ¡ 40 ¡m ¡ 8 ¡m ¡ 60 ¡m ¡ 6 ¡m ¡ 10 ¡m ¡ 13 ¡m ¡ 12 ¡m ¡ 12 ¡m ¡ 15 ¡m ¡ 8 ¡m ¡ 31 ¡m ¡ 6 ¡m ¡ 130 ¡m ¡