An active plasma beam dump for EuPRAXIA beams

Plasma wakefields driven by high power lasers or relativistic particle beams can be orders of magnitude larger than the fields produced in conventional accelerating structures. Since the plasma wakefield is composed not only of accelerating but also of decelerating phases, this paper proposes to utilize the strong decelerating field induced by a laser pulse in the plasma to absorb the beam energy, in a scheme known as the active plasma beam dump. The design of this active plasma beam dump has considered the beam output by the EuPRAXIA facility. Analytical estimates were obtained, and compared with particle-in-cell simulations. The obtained results indicate that this active plasma beam dump can contribute for more compact, safer, and greener accelerators in the near future

Study of quasimonoenergetic electron bunch generation in self-modulated laser wakefield acceleration using TW or sub-TW ultrashort laser pulses

This work presents a study on laser wakefield electron acceleration in the self-modulated regime (SM-LWFA) using 50-fs laser pulses with energy on the mJ scale, at λ = 0.8 µm, impinging on a thin H2 gas jet. Particle-in-cell simulations were performed using laser peak powers ranging from sub-terawatt to a few terawatts and plasma densities varying from the relativistic self-focusing threshold up to values close to the critical density. The differences in the obtained acceleration processes are discussed. Results show that bunched electron beams with full charge on the nC scale and kinetic energy in the MeV range can be produced and configurations with peak density in the range 0.5–5 × 1020 atoms/cm3 generate electrons with maximum energies. In this range, some simulations generated quasimonoenergetic bunches with ∼0.5% of the total accelerated charge and we show that the beam characteristics, process dynamics, and operational parameters are close to those expected for the blowout regime. The configurations that led to quasimonoenergetic bunches from the sub-TW SM-LWFA regime allow the use of laser systems with repetition rates in the kHz range, which can be beneficial for practical applications

Relaxation of intense inhomogeneous charged beams

This work analyzes the dynamics of inhomogeneous, magnetically focused high intensity beams of charged particles. Initial inhomogeneities lead to density waves propagating transversely in the beam core, and the presence of transverse waves eventually results in particle scattering. Particle scattering off waves in the beam core ultimately generates a halo of particles with concomitant emittance growth. Emittance growth indicates a beam relaxing to its final stationary state, and the purpose of the present paper is to describe halo and emittance in terms of test particles moving under the action of the inhomogeneous beam. To this end an average Lagrangian approach for the beam is developed. This approach, aided by the use of conserved quantities, produces results in nice agreement with those obtained with full N-particle numerical simulations

An Active Plasma Beam Dump for EuPRAXIA Beams

From MDPI via Jisc Publications RouterHistory: accepted 2021-06-30, pub-electronic 2021-07-05Publication status: PublishedFunder: Cockcroft Institute; Grant(s): Core GrantPlasma wakefields driven by high power lasers or relativistic particle beams can be orders of magnitude larger than the fields produced in conventional accelerating structures. Since the plasma wakefield is composed not only of accelerating but also of decelerating phases, this paper proposes to utilize the strong decelerating field induced by a laser pulse in the plasma to absorb the beam energy, in a scheme known as the active plasma beam dump. The design of this active plasma beam dump has considered the beam output by the EuPRAXIA facility. Analytical estimates were obtained, and compared with particle-in-cell simulations. The obtained results indicate that this active plasma beam dump can contribute for more compact, safer, and greener accelerators in the near future

Plasma beam dumps for the EuPRAXIA facility

Beam dumps are indispensable components for particle accelerator facilities to absorb or dispose beam kinetic energy in a safe way. However, the design of beam dumps based on conventional technology, i.e., energy deposition via beam–dense matter interaction, makes the beam dump facility complicated and large in size, partly due to the high beam intensities and energies achieved. In addition, specific methods are needed to address the radioactive hazards that these high-power beams generate. On the other hand, the European Plasma Research Accelerator with eXcellence in Application (EuPRAXIA) project can advance the laser–plasma accelerator significantly by achieving a 1–5 GeV high-quality electron beam in a compact layout. Nevertheless, beam dumps based on the conventional technique will still produce radiation hazards and make the overall footprint less compact. Here, a plasma beam dump will be implemented to absorb the kinetic energy from the EuPRAXIA beam. In doing so, the overall compactness of the EuPRAXIA layout could be further improved, and the radioactivity generated by the facility can be mitigated. In this paper, results from particle-in-cell simulations are presented for plasma beam dumps based on EuPRAXIA beam parameters

Projeto e implementação de um sistema de instrumentação eletro-eletrônica para caracterização de escoamentos através de processamento digital de imagens

Historicamente, devido à incompreensibilidade dos fenômenos físicos envolvidos, diversas técnicas de análise experimental de escoamentos foram desenvolvidas. Inicialmente, estas técnicas consistiam em uma simples visualização do escoamento em questão. Visava-se com isto produzir a intuição física a respeito do sistema físico para que futuras teorias pudessem ser formuladas. No entanto, nos anos posteriores, tornou-se necessária a criação de técnicas quantitativas. Neste segmento, a evolução tecnológica da eletrônica propiciou que técnicas intrusivas e não intrusivas fossem criadas. Tal processo culminou com o surgimento da microeletrônica, quando sensores eletrônicos de imagem puderam ser fabricados. Assim, técnicas não intrusivas de velocimetria através de processamento digital de imagens tornaram-se referência, possibilitando a medição de campos de velocidade do escoamento em análise. Tais técnicas são atualmente utilizadas não apenas no meio acadêmico, na investigação da turbulência, como na indústria, em projetos de engenharia que envolvam alta tecnologia. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia para a concepção de um sistema de velocimetria de 2 dimensões por processamento digital de imagens. Para tanto, o sistema de velocimetria foi dividido em duas partes, sendo os equipamentos bem como os conceitos físicos envolvidos em cada uma analisados e descritos Por fim, projetou-se e implementou-se um sistema de velocimetria de 2 dimensões através de processamento digital de imagens, modo PIV. A sua validação foi efetuada sobre um escoamento altamente turbulento interno a um duto circular, cuja solução é conhecida e exaustivamente estudada no decorrer dos anos. O resultado obtido se apresentou totalmente satisfatório e demonstrou a grande importância atual de tal técnica de medição

Projeto e implementação de um sistema de instrumentação eletro-eletrônica para caracterização de escoamentos através de processamento digital de imagens

Historicamente, devido à incompreensibilidade dos fenômenos físicos envolvidos, diversas técnicas de análise experimental de escoamentos foram desenvolvidas. Inicialmente, estas técnicas consistiam em uma simples visualização do escoamento em questão. Visava-se com isto produzir a intuição física a respeito do sistema físico para que futuras teorias pudessem ser formuladas. No entanto, nos anos posteriores, tornou-se necessária a criação de técnicas quantitativas. Neste segmento, a evolução tecnológica da eletrônica propiciou que técnicas intrusivas e não intrusivas fossem criadas. Tal processo culminou com o surgimento da microeletrônica, quando sensores eletrônicos de imagem puderam ser fabricados. Assim, técnicas não intrusivas de velocimetria através de processamento digital de imagens tornaram-se referência, possibilitando a medição de campos de velocidade do escoamento em análise. Tais técnicas são atualmente utilizadas não apenas no meio acadêmico, na investigação da turbulência, como na indústria, em projetos de engenharia que envolvam alta tecnologia. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia para a concepção de um sistema de velocimetria de 2 dimensões por processamento digital de imagens. Para tanto, o sistema de velocimetria foi dividido em duas partes, sendo os equipamentos bem como os conceitos físicos envolvidos em cada uma analisados e descritos Por fim, projetou-se e implementou-se um sistema de velocimetria de 2 dimensões através de processamento digital de imagens, modo PIV. A sua validação foi efetuada sobre um escoamento altamente turbulento interno a um duto circular, cuja solução é conhecida e exaustivamente estudada no decorrer dos anos. O resultado obtido se apresentou totalmente satisfatório e demonstrou a grande importância atual de tal técnica de medição

Termalização de feixes não-neutros ultra-intensos sob confinamento solenoidal em canais lineares

As aplicações envolvendo confinamento e aceleração de feixes de partículas carregadas em canais lineares são inúmeras em diversas áreas do conhecimento. A evolução da engenharia dos aceleradores lineares de partículas de próxima geração está fortemente condicionada ao melhor entendimento de fenômenos não-lineares como a formação de halo, inerentes aos atualmente cada vez mais perscrutados regimes de alta densidade de carga e energia. O presente trabalho visa investigar e caracterizar os aspectos dinâmicos e de equilíbrio envolvidos na transição de um feixe ultra-intenso de partículas com mesma carga de um estado inicial não-estacionário para um final estacionário. A alta densidade de partículas implica que as forças repulsivas naturais neste tipo de sistema sejam imprescindíveis para a sua correta descrição. O feixe em questão evolui em um canal linear encapsulado por um duto circular condutor e é focalizado por um campo magnético constante axial de origem solenoidal. Tal feixe inicialmente encontra-se perfeitamente alinhado com o eixo de simetria do sistema de confinamento magnético, sendo, portanto, as oscilações de sua centróide inexistentes. Por simplicidade, foi imposto também ao feixe o vínculo de simetria azimutal. Como condição inicial, considerou-se o estado não-estacionário do feixe descrito por uma densidade homogênea e outra não-homogênea. No primeiro caso, o descasamento e, no segundo, a magnitude da não-homogeneidade são os fatores precursores da instabilidade inicial que conduz o feixe ao estado de equilíbrio. Para ambos os casos, modelos foram desenvolvidos para determinar quantidades dinâmicas, relacionadas à escala de tempo característica da instabilidade inicial, e de equilíbrio, tais como a emitância e o envelope, grandezas estatísticas estas usualmente de interesse em Física de Feixes. Os resultados obtidos foram comparados com simulações numéricas autoconsistentes e o acordo foi satisfatório. Os modelos demonstraram-se eficientes não somente em prever tais quantidades de interesse como também em elucidar aspectos físicos fundamentais intrínsecos ao comportamento observado nas simulações numéricas autoconsistentes e experimentos.Applications involving confinement and acceleration of charged particle beams in linear channels are innumerous in many fields of the knowledge. The engineering evolution of next-generation particle linear accelerators is strongly conditioned to the better understanding of nonlinear phenomena like halo formation, inherent to the more and more currently explored regimes of high charge density and energy. The present work aims at investigating and characterizing dynamical and equilibrium aspects involved in the transition of a high-intensity beam of charged particles from an initial non-stationary state to a final stationary state. High particle densities mean that the repulsive forces naturally present in these kinds of systems are essential to their adequate description. The beam under analysis evolves inside a linear channel encapsulated by a circular conductor pipe, and is focalized by a constant axial magnetic field generated by solenoids. Such beam is initially perfectly aligned to the symmetry axis of the magnetic confinement system, being in this way its centroid oscillations non-existent. For simplicity, it has been imposed to the beam the constraint of azimuthal symmetry. As initial condition, the beam non-stationary state has been described by a homogeneous and an inhomogeneous particle density. In the first case, the mismatch and, in the second one, the magnitude of inhomogeneity, are the factors forerunner of the initial instability, which leads the beam to evolve to the equilibrium state. For both cases, models have been developed to determine dynamical quantities, related to the characteristic time scale of the initial instability, and equilibrium quantities, such as the emittance and envelope, usually of interest in Beam Physics. The obtained results have been compared with full self-consistent N-particle beam numerical simulations and the agreement has been reasonable. The models have shown to be efficient not only to predict beam quantities of interest as well as to elucidate fundamental physical aspects intrinsic to the behavior observed in the self-consistent numerical simulations and experiments

Simplified self-consistent model for emittance growth in charged beams with mismatched envelopes

This paper analyzes the envelope dynamics of magnetically focused, high-intensity charged particle beams. As known, mismatched envelopes decay into equilibrium with simultaneous emittance growth. To describe the emittance growth we develop a simplified self-consistent macroscopic model: emittance is evaluated in a partially analytical way which invokes the beam profile, with self-consistency resulting from the inclusion of the emittance growth into the envelope equation. The model is then compared with full N-particle beam simulations and the agreement is shown to be quite reasonable. The model helps to understand the physics of the problem and is computationally faster than full simulations. Other aspects are discussed in the paper