COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - … · 4 Cosmelli Carlo P.A. 2 80 5 Di Carlo Federico...

I II III IV

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: A) - RICERCATORIComponenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

2003

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno

in altri GruppiN.

Coordinatore:

Gruppo

5ROMA I

Struttura

Stefano Veneziano

Art. 23

1 Cabibbo Nicola 4 20 80P.O.

2 Castellano Maria Gabriella 2 75CNR

3 Chiarello Fabio 5 80R.U.

4 Cosmelli Carlo 2 80P.A.

5 Di Carlo Federico 5 100Bors.

6 Diambrini PalazziGiordano

2 100P.O.

7 Fargion Daniele 4 30 70R.U.

8 Leoni Roberto 2 60CNR

9 Levi Decio 155 15P.A.

10 Mattioli Mario 505 50P.A.

11 Panizzi Emanuele 5 50R.U.

12 Rapuano Federico I Ric 4 60 40

13 Simma Hubert 5 50S.Str.

14 Torrioli Guido 2 60 30CNR

15 Zanello Dino D.R. 2 30 70****

INSERIRE I NOMINATIVI IN ORDINE ALFABETICO (N.B. NON VANNO INSERITI I LAUREANDI)

Ricercatori .7 4.9 2.8 .7 .3

Note:

Mod. G. 1

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN2) PER GLI INCARICHI DI RICERCA: Indicare la Qualifica Universitaria (P.O, P.A, R.U) o Ente di appartenenza3) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare la Qualifica Universitaria o Ente di appartenenza per Dipendenti altri Enti;

Bors.) Borsista; B.P-D) Post-Doc; B.Str.) Borsista straniero; Perf.) Perfezionando; Dott.) Dottorando; AsRic) Assegno di ricerca; S.Str.) Studioso straniero;

DIS) Docente Istituto Superiore4) INDICARE IL GRUPPO DI AFFERENZA

LA PERCENTUALE DI IMPEGNO NEGLI ESPERIMENTI SI RIFERISCE ALL’IMPEGNO TOTALE NELLA RICERCA, ANCHE AL DI FUORI DELL’INFN

Assoc.Tecnologica

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: B) - TECNOLOGI

Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art.23

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno in altri Gruppi

I II III IV

N.


Preventivo per l'anno 2003

Coordinatore:

Gruppo

5ROMA I

Struttura

Stefano Veneziano

1 Bartoloni Alessandro Tecn 20 3050

2 Lonardo Alessandro 100Tecn

3 Medici Giuliano 50T.L. 50

4 Rossetti Davide 100Tecn

5 Vicini Piero Tecn 80 20

Mod. G. 2

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN

2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE: Indicare Ente da cui dipendono, Bors. T.) Borsista Tecnologo

Note:

COMPOSIZIONE DEI GRUPPI DI RICERCA: C) - TECNICI

Componenti del Gruppo e ricerche alle quali partecipano:

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art.36 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

RICERCHE DEL GRUPPO IN % Percentuale impegno in altri Gruppi

I II III IV

N.

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEAREPreventivo per l'anno 2003

Coordinatore:

Gruppo

5ROMA I

Struttura

Stefano Veneziano

Masullo Rocco1 90Univ.

Petruccetti Marco O.T.2 80

Mod. G. 3

1) PER I DIPENDENTI: Indicare il profilo INFN

2) PER GLI INCARICHI DI COLLABORAZIONE TECNICA: Indicare Ente da cui dipendono

2) PER GLI INCARICHI DI ASSOCIAZIONE TECNICA: Indicare Ente da cui dipendono

Note:

Mod. G. 4

PREVISIONE DELLE SPESE DI DOTAZIONE E GENERALI DI GRUPPO

VOCI DI SPESA DESCRIZIONE DELLA SPESAIMPORTI

Parziali TotaleCompet.

In kEuro

Estero

Interno

Materialedi Consumo

Pubblicazioni Scientifiche

Spese Calcolo

Affitti e ManutenzioneApparecchiature (1)

Dettaglio della previsione delle spese del Gruppo che non afferisconoai singoli Esperimenti e per l’ampliamento della Dotazione di base del Gruppo

MaterialeInventariabile

Spese Seminari

(1) Indicare tutte le macchine in manutenzione

Trasporti e facch.


8,0

Viaggi Coordinatore 5,0Missioni interne esperimento NEMESI (D. Zanello) 3,0

5,0

Supporto Conferenze 5,0

5,0

6,0

Magazzino, Software, LicenzeMetabolismo esperimento NEMESI (D. Zanello) 1,0

TOTALI

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

5,0

5,0

5,0

29,0

Affitti 5,0

Gruppo

5ROMA I

Struttura

3,0 6,0 4,5 10,0 23,5XFEL

1,0 3,0 33,5 15,5 53,0SQC

Miss. interno

Miss. estero

Mater.di cons.

Trasp. e Facchin.

Spese Calc.

Mater.Invent.

Costruz. Appar.

TOT.Compet.

Mod. G.5

Totali (A+B+C)

PREVISIONE DELLE SPESE PER LE RICERCHE

SIGLA

ESPERIMENTO

RIEPILOGO DELLE SPESE PREVISTE PER LE RICERCHE DEL GRUPPO In kEuro

Pubbl. Scient.

Spese Semin.

S P E S A P R O P O S T A

Totali A)

C) Dotazioni di Gruppo

Totali B)

Aff. eManut. App.

29,0

53,0

105,5

5,0 6,0 5,0 5,0

14,0

3,0 33,5 15,5

44,0 5,0 30,5

8,0

1,0

12,0

6,0 4,5 10,0 23,5


3,0

Gruppo

5ROMA I

Struttura

Ricercatoreresponsabile locale:

ROMA I



Struttura

(a cura del rappresentante nazionale)

Studio e realizzazione di qubit superconduttori.

Roma

Evoluzione e controllo di un sistema a due strati in sovrapposizione coerente

Set di dispositivi Superconduttori raffreddati a 10 mK in un refrigeratore a diluzione

Roma, Tor Vergata

Università degli Studi di Roma "La Sapienza", Istituto Fotonica e Nanotecnologia CNR,Roma; Università L'Aquila; Università di Tor Vergata

2 anni

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

1.1. 2003- 31.12.2004 Studio e realizzazione del prototipo del qubit e misura del tempo di decoerenza.Studio e realizzazione dei primi test sui sistemi di qubit accoppiati.Test di lettura, scrittura ed evoluzione libera sui qubit singoli ed accoppiati

Nuovo Esperimento GruppoSQC 5

Carlo Cosmelli

Roma1

Inc. di ricercaCarlo Cosmelli

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

[email protected]:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

ROMA I



Struttura


Resp. loc.: Carlo Cosmelli

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA


Totale

Dewar Elio liquido ad alta capacità

2 meeting internazionali

Realizzazione dispositivi superconduttori

Partecipazione a 2 congressi internazionali

Note:

Scheda acquisizione NB-M10-16X

Elio + Azoto liquido (1000 litri)Cavi a radio frequenza per basse temperatureMateriali vari r.f. & lowT

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

20,0

12,5

1,0

3,0

33,5

15,5

53,0

1,0

3,0

3,0

2,52,5

8,5

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

ROMA I



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:



ROMA I

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,0 3,0 33,5 15,5 53,0

TOTALI 3,0 33,5 15,5 53,0

ANNIFINANZIARI

2003

1,0

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa




ROMA I

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

1,0 3,0 33,5 15,5 53,0

TOTALI 2,0 6,0 69,0 33,5 110,5

ANNIFINANZIARI

2003

1,0 3,0 35,5 18,0 57,52004


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

La ricerca proposta si inquadra nell'ambito del quantum computing, argomento che attualmente sta riscuotendo un interessecrescente nella comunita' scientifica internazionale, come dimostrato dagli ingenti finanziamenti stanziati in Giappone, Usa ealtri paesi europei. Il quantum computing, in cui il comportamento dei singoli bit, registri e gate e' governato dalle leggi dellameccanica quantistica, permettera' infatti in futuro di ottenere prestazioni non raggiungibili con i computer tradizionali, grazieall'intrinseco parallelismo insito in questi sistemi. Vale la pena di notare che un computer quantistico non è semplicemente uncalcolatore molto veloce (che potrebbe quindi essere uguagliato da una futura generazioni di supercalcolatori). Un calcolatorequantistico permette di risolvere tutti quei problemi che hanno la cosiddetta complessita'; esponenziale, e che non possono innessun modo essere risolti dagli attuali ne' dai futuri calcolatori "classici" . Si pensi ad esempio alla banale scomposizione infattori primi di un numero di 1000 cifre, che richiederebbe un tempo di molti miliardi di anni con svariate centinaia di workstationche lavorassero in parallelo, e tempi inferiori al secondo con un calcolatore quantistico.La ricaduta in campo applicativo sara' quindi importantissima, sia per quanto riguarda l'efficienza delle simulazioni che in settoriquali la crittografia e le telecomunicazioni; un semplice esempio di applicazione può essere ad esempio la simulazione delcomportamento di macromolecole organiche di sintesi in presenza di virus: a tutt'oggi la ricerca farmaceutica di nuovi procedeper tentativi, data l'assoluta impossibilità di simulare il comportamento e la risposta completa dei sistemi in esame.Il bit quantistico deve possedere la proprietà di poter esistere in una sovrapposizione quantistica degli stati fondamentali 0 e 1,per un tempo sufficientemente lungo da permettere la manipolazione, l'esecuzione delle operazioni e la susseguente lettura;l'interazione con l'ambiente circostante in genere tende a ridurre questo tempo (tempo di coerenza) e lo sforzo è quindi quello dicercare sistemi fisici in cui l'interazione sia ridotta alle sole fluttuazioni di punto zero. Una richiesta essenziale per il realesuccesso del quantum computing è la possibilità di realizzarlo tramite sistemi facilmente scalabili, integrabili e indirizzabili: aquesto scopo, la ricerca si sta indirizzando soprattutto sull'implementazione di dispositivi a stato solido, che soddisfano tuttequeste condizioni. Ad esempio, sistemi a più qubit (dell'ordine di qualche unità) già ottenuti con atomi intrappolati da campimagnetici non si prestano ad una ulteriore espansione del numero di componenti oltre la decina, il che è ovviamenteinsufficiente per un reale utilizzo futuro. I sistemi a stato solido, invece, non hanno questa limitazione, d'altre parte l'interazionecon l'ambiente è maggiore e quindi il tempo di coerenza tende ad essere minore; per ovviare a ciò, si utilizzano bassetemperature e particolari schemi operativi, quali ad esempio quello di utilizzare non le oscillazioni libere del sistema fra i duestati costituenti 0 e 1 ma delle oscillazioni forzate tramite impulsi di onde elettromagnetiche di frequenza determinata dalleautofrequenze dell'Hamiltoniana del sistema.I dispositivi a stato solido proposti sono basati su materiali semiconduttori (quantum dot), magnetici (sistemi spintronici) esuperconduttori; questi ultimi al momento sono quelli che si trovano al livello più; avanzato di sperimentazione e sono oggettodella presente proposta.

Inquadramento dell'Esperimento in ambito Europeo

La Comunità Europea ha in progetto di finanziare, nell'ambito del 6^ programma quadro (FP6), un importante programma diricerche sullo sviluppo di Computer Quantistici realizzati con dispositivi a stato solido. Come preparazione per la Call ofProposal che si avrà nel 2003 (per programmi da iniziare nel 2004) è stata presentata una Expression of Interest da parte deigruppi europei attivi nel campo.Questa EoI, a cui partecipa anche il Gruppo proponente di questa ricerca, è stata presentata il 5.6.2002 alla CE con il seguentetitolo:Expression of Interest (EoI) for an Integrated Project on"Solid State Architecture and Hardware for Quantum Information and Communication" - SSAH4QIPC, in FP6: FET (Future andEmerging Technologies). Al momento non vi sono progetti analoghi finanziati da Enti di Ricerca o altre Università italiane.Questa ricerca ha come scopo quindi, non solo la realizzazione del progetto scientifico proposto, ma anche quello di portare ilgruppo proponente ad un livello tale da partecipare a pieno titolo e con le necessarie competenze al futuro programma europeodel 2004.



ROMA I

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 1


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

Un qubit a stato solido basato sugli stati di flusso di un interferometro quantistico (SQUID) è; stato sviluppato negli scorsi annidal proponente e dal gruppo del CNR che partecipa a questa proposta. Il qubit, disegnato e realizzato a Roma, è costituto da unsistema integrato su chip di silicio formato da vari SQUID. Tutti i dispositivi e le connessioni sono realizzati con tecnologie di filmsottili e fotolitografia, utilizzando un processo a quattro maschere; il materiale prevalente è il niobio, le giunzioni tunnel cheformano gli SQUID sono giunzioni Josephson (dimensioni tipiche 2.5 micron di lato) fabbricate con la tecnica del trilayer diNb/AlOx/Nb, che assicura la migliore qualità e riproducibilità dei dispositivi. Il cuore del sistema è uno SQUID formato da unanello superconduttore (diametro 80 micron) con singola giunzione, che, opportunamente polarizzato con un flusso magneticostatico, possiede due distinti stati di flusso che costituiscono gli stati 0 e 1 del qubit, prodotti da correnti di schermo circolanti insenso orario e antiorario: il flusso corrispondente è dell'ordine del quanto di flusso, h/2e, pari a 2x10-15 weber, quindipiccolissimo.La preparazione del qubit in uno stato predeterminato viene effettuata agendo con campi magnetici dello stesso ordine digrandezza, accoppiati induttivamente tramite bobine integrate sullo stesso chip. La lettura dello stato di flusso è effettuata dadue altri SQUID, di tipo leggermente diverso, che in risposta al flusso magnetico accoppiato producono un segnale di tensione,dell'ordine del mV. L'intero sistema è stato progettato in modo da minimizzare gli accoppiamenti spuri fra le varie parti e conl'esterno; a questo scopo tutti i dispositivi sono a struttura gradiometrica del primo ordine, per essere poco sensibili ai campimagnetici ambientali che sono in genere spazialmente quasi costanti.Le operazioni essenziali dello SQUID possono essere descritte tramite il potenziale associato allo SQUID stesso, ed utilizzandocome variabile il flusso del campo magnetico totale concatenato allo SQUID. In condizioni di polarizzazione esterna uguale amezzo quanto di flusso, il potenziale è quello di una doppia buca simmetrica, in cui la barriera può essere regolata dall'esternocon un ulteriore campo magnetico. Nelle due buche del potenziale sono presenti di norma vari livelli energetici. Nel caso nostrosi scelgono due condizioni:1. la barriera viene abbassata al punto in cui nelle buche siano presenti solo due o tre livelli.2. la temperatura viene abbassata sotto i 100mK (tipicamente intorno ai 10-30 mK) utilizzando un refrigeratore a diluizione perevitare che i livelli siano eccitati termicamente. In queste condizioni lï8;unico livello popolato è il primo, quello fondamentale, edil sistema risulta stabile.

Lo studio di questo sistema come qubit prevede di realizzare un accoppiamento dello SQUID con un campo elettromagneticoesterno che induca transizioni fra il livello energetico fondamentale e gli eventuali livelli superiori. Occorre tener conto che incondizioni di buche simmetriche i livelli energetici nelle due buche di potenziale, cosiderate separatamente, sono identici, e chequindi l'accoppiamento generato dalla barriera non infinita rimuove la degenerazione; l'intero sistema è quindi descritto dacoppie di livelli provenienti ciascuna da un singolo livello originario.L'utilizzo della radiazione esterna prevede di inviare brevi impulsi di radiazione sul sistema per effettuare le seguenti operazioni:1- Eccitazione di un livello energetico con un breve treno dï8;onde (20-100 ns) alla frequenza tipica delle distanze fra i livelli(5-40 GHz)2- Evoluzione libera del sistema quantistico. In queste condizioni, se la barriera è sufficientemente bassa e se il tempo dicoerenza è sufficientemente lungo, il sistema effettua oscillazioni di Rabi fra i due stati di flusso.3- Lettura dello stato del sistema con conseguente proiezione in uno dei due stati di flusso.Questa sequenza di operazioni permette di valutare il corretto funzionamento del sistema come qubit operante alla frequenzadella radiazione inviata, e di misurarne il relativo tempo di coerenza.Attualmente lo stato dell'arte è la realizzazione del sistema di SQUID integrato sul chip, e la loro caratterizzazione in bassafrequenza. La parte che si vuole sviluppare in questa proposta riguarda la progettazione e la realizzazione dei qu-bit superconduttori, e la loro caratterizzazione per clock che operino nel range 10-40 GH2



ROMA I

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 2

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori

Codice EsperimentoSQC

Gruppo

ROMA I

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

7,0

4,9Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

Castellano Maria Gabriella 752CNR1

Chiarello Fabio 805R.U.2

Cosmelli Carlo 802P.A.3

Diambrini PalazziGiordano

1002P.O.4

Fargion Daniele 304R.U.5

Leoni Roberto 602CNR6

Torrioli Guido 602CNR7

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7


Codice EsperimentoSQC

Gruppo

ROMA I

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (a cura del responsabile locale)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)

30/06/2003 Realizzazione di un dispositivo superconduttore con canali di ingresso a radio frequenza e lettura degli stati quanticicon alta efficienza.

31/12/2003 Realizzazione del prototipo per sistemi di qubit accoppiati.

Descrizione Resp. Naz.: Carlo Cosmelli

INFORMAZIONI GENERALI

Generazione di Radiazione coerente VUV X con FEL a singolo passaggio

Self Amplified Spontaneus Emission SASE -FEL e Studio nuove tecnicheper "High Field Physics"

Linac+ Ondulatore

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Sigla delloesperimento assegnata

dal Laboratorio

Acceleratore usato

Fascio

(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EC. 1

Esperimento Gruppo

Ricercatoreresponsabile locale:

ROMA I

XFEL 5

Mario Mattioli

Roma1

AssociatoMario Mattioli

CodiceISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE


Struttura

[email protected]:

[email protected]


RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

e-mail:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro


VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA


Totale

N. 2 PC in cluster Linux( 2.5 GHz, 1024 Mb RAM, 120 Gb HD)

Mod. EC. 2

Collaborazione INFN Milano

ROMA I



Struttura

Acquisto SW per controllo MC e visualizzazione grafica

Collaborazione UCLA/SLAC

(vedi allegato)

Metabolismo

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

2,5

10,0

3,0

6,0

4,5

10,0

23,5

3,0

6,0

2,0

Codice EsperimentoXFEL

Gruppo5

Resp. loc.: Mario Mattioli

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EC. 2

ROMA I



Struttura

ALLEGATO MODELLO EC 2


Gruppo5


In kEuro

Mod. EC. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO


Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:



ROMA I

Struttura


Gruppo5


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

3,0 6,0 4,5 10,0 23,5

TOTALI 6,0 4,5 10,0 23,5

ANNIFINANZIARI

2003

3,0

PREVENTIVO GLOBALE PER L'ANNO 2003In kEuro

Note:

Mod. EC. 4


A CARICO DELL’ I.N.F.N.

Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp. eFacch.

Spese Calc.

Affitti eManut.Appar.

Mater.inventar.

Costruz. appar.

TOTALECompet.

Acarico di altri Enti

4,5 10,0 23,5 0,0

TOTALI 3,0 6,0 4,5 10,0 23,5

Struttura

ROMA1 3,0 6,0

0,0



ROMA I

Struttura

NB. La colonna A carico di altri Enti deve essere compilata obbligatoriamente


Gruppo5

Resp. Naz.: Mario Mattioli

Mod. EC. 5

A) ATTIVITA’ SVOLTA FINO A GIUGNO 2002

B) ATTIVITA’ PREVISTA PER L’ANNO 2003

C) FINANZIAMENTI GLOBALI AVUTI NEGLI ANNI PRECEDENTI In kEuro

Partecipazione al gruppo SPARC con 12 Note interne di cui la n. 8 allegatan. 1 Partecipazione al Meeting su "Perspectives for a X-ray Coherent Source in Italy"-Frascati 2001n. 3 Partecipazioni a Proceedings EPAC2002 - La Villette-Paris June - 20021) AN R&D PROGRAM FOR A HIGH BRIGHTNESS ELECTRON BEAM SOURCE AT LNF-allegata2) DESIGN STUDY OF A SOFT X-RAYS SASE-FEL SOURCE3) High Brightness Electron Injectors n. 1 Partecipazione a ICFA 2002 "Ultra-Short Bunch and High Peak Current Beam Generation"- Spring 8-May-2002

Studio di un sistema di focalizzazione degli X tramite gli elettroni per raggiungere "the Schwinger critical field"


AnnoFinanziario

Missioni interno

Missioni estero

Materiale diconsumo

Trasp. eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti eManut.Apparec.

Materialeinventar.

Costruz.apparati TOTALE

TOTALE

2002 4,5 1,5 6,0 12,0

4,5 1,5 6,0 12,0



ROMA I

Struttura


Gruppo5


In kEuro

Mod. EC. 6

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

3,0 6,0 4,5 10,0 23,5

TOTALI 3,0 6,0 4,5 10,0 23,5

ANNIFINANZIARI

2003



ROMA I

Struttura


Gruppo5


Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori


Gruppo

ROMA I

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

2,0

,7Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei Tecnologi 1,0

,5Tecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

Levi Decio 155P.A.1

Mattioli Mario 505P.A.2

Medici Giuliano 50T.L.1

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7



Gruppo

ROMA I

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (a cura del responsabile locale)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)Descrizione Resp. Naz.: Mario Mattioli

1

SPARX_Note 8, December 2001

SPARX Simulations with GENESIS 1.3

E. Chiadroni, G. Felici, D. Levi, M. Mastrucci, M. Mattioli, S. Petrarca

Abstract

The aim of this study is to find the FEL working point. At this regard, we performed simulations at different energy, wavelength, peak current and energy spread, using a 3D simulation code, called GENESIS 1.3. We present a scheme which shows three different suggestions for our purposes:

1. We studied a machine which worked at 2 GeV and was able to produce two different wavelength, a) 10 nm and b) 1.5 nm, using two planar undulators with λu=4 cm and λu=3 cm, respectively. For this situation we also present a time-dependent simulation and we report the power spectrum for three different positions within the undulator.

2. In this section we study the possibility of getting 10 nm with 1 GeV and 1.5 nm with 2.5 GeV. For the latter case, we present two kinds of external strong focusing, a combined function undulator and a separated function undulator.

3. A further suggestion is working at one energy, 2.5 GeV, for both wavelengths, and an undulator magnet with λu=4 cm.

1. E=2 GeV

a) Or=10 nm

As first step, we used Saldin’s theory to verify the goodness of the chosen parameters, and we

found an agreement at 10 nm with the following set of values:

Table1

E [GeV] 2 ∆γ/γ [%] 0.1 I [kA] 2 λu [cm] 4 K 3.649 Gap [mm] 11

2

The radiation power along the undulator axis z has been obtained by GENESIS 1.3 in the steady

state regime and is shown on end.

Saturation is reached at zsat=23.9 m with a power of 4.889 GW, using a single-segment combined

function undulator, whose cell length and quadrupole gradient are λFODO=1 m and g=11 T/m,

respectively.

Since the code has been used in time-independent mode, in order to reduce CPU time, we have

excluded the fluctuation due to SASE process, thus we are in an FEL amplifier configuration, but

the seed we simulated is the spontaneous radiation.

For this reason, we found the optimum wavelength, corresponding to the minimum gain length, by

scanning in wavelength near the resonance:

Or [nm]� Lsat [m] Lg [m] Psat [W] 9.97 27.5 1.375 1.7301E+099.98 26 1.300 2.5966E+099.99 24.8 1.240 3.5257E+09

10 23.9 1.195 4.8888E+0910.01 23.3 1.165 6.2615E+0910.02 22.9 1.145 8.0488E+0910.03 22.9 1.145 9.6188E+0910.04 23.2 1.160 1.1202E+1010.05 23.6 1.180 1.2453E+1010.06 24.4 1.220 1.31E+10

3

9.96 9.98 10.00 10.02 10.04 10.06

1.15

1.20

1.25

1.30

1.35

1.40

L g [m

]

λr [nm]

The minimum gain length is achieved with the optimum wavelength λr(optimum)=10.027 nm,

corresponding to a frequency of Hz161099.2 ⋅ . Therefore GENESIS simulation, performed with

such a optimum value, has produced the following curves for the radiation power and phase at the

undulator axis:

0 5 10 15 20 25 30101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

Pow

er [W

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

4

-5 0 5 10 15 20 25 30 35-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

phas

e [r

ad]

z [m]

As can be noticed, the saturation power at the optimum wavelength is slightly higher and the

saturation length slightly shorter than those at the nominal resonant wavelength. Moreover, with

this optimum wavelength, no change in the electron ponderomotive phase is observed and the

micro-bunching is still driven by the radiation field and, as a consequence, the interaction between

the electron beam and the radiation field is much stronger.

The following figures show the rms beam size, in x and y direction, along the undulator axis:

5

The low-frequency oscillation is due to the betatron oscillation, while the high-frequency oscillation

is due to the external strong focusing generated by a combined function undulator, whose FODO

cell length is as long as the oscillation period, that is 1 m.

For the present case, we performed time-dependent simulation thus we display in the next figures

the power spectrum at three different positions within the undulator: at the entrance , at an

intermediate position and at the exit of the undulator, respectively:

:

6

As can be seen, at the undulator exit, the power spectrum is fully localized around the resonance

frequency, that is roughly Hz161097.2 ⋅ , corresponding to a resonance wavelength slightly greater

than the nominal one and practically equal to that for which the minimum gain length is achieved in

the steady state simulation.

7

b) ��Or=1.5 nm

For the case at 1.5 nm, we used the same procedure and we first applied Saldin’s theory with the

following parameters:

Table2


As a result, we noticed a very strong discrepancy between the resonant wavelength we would and

could have had, in accordance with Saldin’s theory. However, we executed GENESIS’ simulation

and we obtained the following results for the radiation power and the bunching factor, respectively:

8

Saturation is reached at roughly 65 m with a saturation power less than 109 W.

2.

a) E=2.5 GeV - Or=1.5 nm – I=2.5 kA

Since we did not succeed in obtaining a good saturation curve at 1.5 nm with the set of parameters

listed in Table 2, we increased the energy up to 2.5 GeV and we varied the peak current and the

energy spread, in order to find a better condition, obtained with the values shown in Table 3:

Table3

E [GeV] 2.5 ∆γ/γ [%] 0.1 I [kA] 2.5 λu [cm] 3 K 1.669 Gap [mm] 12

Then we looked for the optimum wavelength by scanning near the resonance and we found the

following results:

9

Or [nm]� Lsat [m] Lg [m] Psat [W] 1.49900 74.625 3.73125 3.9634E+081.50000 58.65 2.9325 6.1431E+081.50100 50.85 2.5425 1.3531E+091.50200 50.025 2.50125 2.4257E+091.50300 45.3 2.265 3.1615E+091.50400 46.05 2.3025 3.8457E+091.50450 48.45 2.4225 3.9349E+091.50500 48.9 2.445 4.1568E+091.50550 50.7 2.535 4.2373E+091.50600 52.65 2.6325 4.0740E+09

1.498 1.499 1.500 1.501 1.502 1.503 1.504 1.505 1.506 1.507

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

Lg [m

]

λr [nm]

The minimum gain length is obtained with an optimum wavelength of roughly 1.503 nm. The two

following pictures show the radiation power along the undulator axis for a single-segment and a

multi-segment undulator, respectively. In the latter case, we have assumed a gap of 30 cm between

each segment forming the undulator magnet.

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

Pow

er [W

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

Pow

er [W

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

In what follows we show the results attained at the same wavelength with a standard FODO lattice,

whose cell length is 6.6 m long. As we can see, we reach roughly the same saturation power but

with a slightly shorter saturation length. The x-beam and y-beam pictures show the motion of the

electron beam in x and y direction, respectively, with an oscillation period as long as the FODO cell

length.

11

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

Pow

er [W

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

2.5x10-5

3.0x10-5

3.5x10-5

4.0x10-5

4.5x10-5

5.0x10-5

σ x [m

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

2.5x10-5

3.0x10-5

3.5x10-5

4.0x10-5

4.5x10-5

5.0x10-5

12

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 602.5x10-5

3.0x10-5

3.5x10-5

4.0x10-5

4.5x10-5

5.0x10-5

σ y [m

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

2.5x10-5

3.0x10-5

3.5x10-5

4.0x10-5

4.5x10-5

5.0x10-5

b) E=2.5 GeV - Or=1.5 nm – I=2 kA

Then, we performed a further simulation at this wavelength with a lower peak current, I=2 kA.

Saturation has been reached within an undulator 60 m long, as shown in the following pictures

displaying radiation power, x and y beam size, respectively:

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

Pow

er [W

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

13

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

2.5x10-5

3.0x10-5

3.5x10-5

4.0x10-5

4.5x10-5

5.0x10-5

x_beam y_beam

σ x,y [m

]

z [m]

c) E=1 GeV - Or=10 nm – I=2 kA

At this point, we performed simulations at 1 GeV to get 10 nm with parameters shown in Table 4:

Table4


Using the same procedure we found the optimum wavelength, λr(optimum)=10.0246 nm, and we run

GENESIS with this value. On end, we display the results: saturation is reached at zsat=17.4 m and

the saturation power is Psat=3.89 GW.

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

Pow

er [W

]

z [m]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

3. E=2.5 GeV

a) Or=10 nm

We also executed simulations at 2.5 GeV in order to get 10 nm. The parameter’s list is shown in

Table 5:

Table5

E [GeV] 2.5 ∆γ/γ [%] 0.1 I [kA] 2 λu [cm] 4 K 4.864 Gap [mm] 8.469

The saturation curve is displayed in the following picture:

15

0 5 10 15 20 25 30101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

Pow

er [W

]

z [m]

0 5 10 15 20 25 30

101

102

103

104

105

106

107

108

109

1010

1011

b) Or=1.5 nm

Finally, in what follows we show the results of simulations at the same energy, peak current, energy

spread and undulator period for 1.5 nm:

Table6

E [GeV] 2.5 ∆γ/γ [%] 0.1 I [kA] 2 λu [cm] 4 K 1.261 Gap [mm] 22

The following picture display the radiation power and the bunching factor. The saturation length is

roughly 85 m and the saturation power is nearly 1 GW.

As in the case 1.b), the saturation curve presents an irregular gear. It seems that each segment

forming the undulator contributes with a different gain.

16

Finally, we summarize our results for the 10 nm case in Table 7 and for the 1.5 nm case in Table 8:

Table7: Or=10 nm

E [GeV] I [kA] Lsat [m] Psat [GW]

1 2 17.4 3.89

2 2 22.9 ~ 8

2.5 2 ~ 25 ~ 8

17

Table8: Ou=1.5 nm

E [GeV] I [kA] Lsat [m] Psat [GW]

2 2 ~65 <1

2.5 2 ~ 55 ~ 1.5

2.5 2.5 45.3 3.16

We conclude the better solution, in terms of saturation length, seems to be the one at two energies, 1

GeV and 2.5 GeV, in order to get 10 nm and 1.5 nm, respectively.

REFERENCES

• E. L. Saldin – E. A. Schneidmiller – M. V. Yurkov, “The Physics of Free Electron Lasers”,

Sprinter.

• S. Reiche, “GENESIS 1.3 – A Fully 3D Time Dependent FEL Simulation Code”, NIM

Proceedings of the 20th International FEL Conference (FEL98), Williamsburg, VA, USA,

1998.

• J. Pfluger, “Insertion Devices for 4th Generation Light Sources”, Proceedings of the 1999

Particle Accelerator Conference, New York, 1999.

• M. Cornacchia, “SASE Based 4th Generation Light Sources and LCLS Project”, Proceedings

of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999.

• S. G. Biedron et al., “Multi-Dimensional FEL Simulation Codes : A Comparison Study”

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AN R&D PROGRAM FOR A HIGH BRIGHTNESS ELECTRON BEAM SOURCE AT LNF

D. Alesini, S. Bertolucci, M.E. Biagini, C. Biscari, R. Boni, M. Boscolo, M. Castellano, A. Clozza, G. Di Pirro, A. Drago, A. Esposito, M. Ferrario, V. Fusco, A. Gallo, A. Ghigo, S. Guiducci, M. Incurvati, P. Laurelli, C. Ligi, F. Marcellini, M.

Migliorati, C. Milardi, L. Palumbo, L. Pellegrino, M. Preger, P. Raimondi, R. Ricci, C. Sanelli, F. Sgamma, B.Spataro, A. Stecchi, A. Stella, F. Tazzioli, C. Vaccarezza, M. Vescovi, V.Verzilov, C. Vicario, M. Zobov (INFN /LNF)

F. Alessandria, G. Bellomo, I. Boscolo, F. Broggi, S.Cialdi, C. DeMartinis, D. Giove, C. Maroli, V. Petrillo, L. Serafini, (INFN /Milano)

E. Chiadroni, G. Felici, D. Levi, M. Mastrucci, M. Mattioli, G. Medici, G. S. Petrarca (INFN /Roma1)

L. Catani, A. Cianchi, A. D'Angelo, R. Di Salvo, A. Fantini, D. Moricciani, C. Schaerf, (INFN /Roma2)

R. Bartolini, F. Ciocci, G. Dattoli, A. Doria, F. Flora, G. P. Gallerano, L. Giannessi, E. Giovenale, G. Messina, L.Mezi, P.L.Ottaviani, L. Picardi, M. Quattromini, A.Renieri, C. Ronsivalle (ENEA/FIS)

L.Avaldi, C.Carbone, A.Cricenti, A.Pifferi, P.Perfetti, T.Prosperi, V.Rossi Albertini, C.Quaresima, N.Zema (CNR)

Abstract The design of a high gradient S-band Photo-Injector

system for the production and study of high brightness electron beams is in progress at the Frascati Laboratory, in the frame of a collaboration among INFN, ENEA, CNR, Univ. Roma TV, INFM and ST. This collaboration submitted last year a proposal to a dedicated call for proposals launched by our government, meant to be the first step of a R&D program strategically oriented to a large X-ray FEL initiative. This proposal was approved (December 2001), among others, for a total allocated budget of 9.5 M¤ .The construction of the system is expected to start soon: it is comprised of a RF gun driven by a Ti:Sa laser to produce 10 ps flat-top pulses on the photocathode (up to a few nC bunch charge), injecting into two SLAC structures which boost the beam up to 150 MeV. We foresee to conduct investigations on the emittance correction technique and on the RF compression (velocity bunching) scheme, which is expected to increase the natural peak current (100 A) achievable at the gun exit up to a few kA level, with proper preservation of the transverse emittance. Although the system is expected to drive a FEL experiment in the UV region, it will be used also to investigate beam physics issues like surface roughness induced wake-fields, bunch length measurements in the sub-ps range, emittance degradation in magnetic compressors due to CSR and an eventual experiment of Compton backscattering to produce sub-ps X-ray pulses.

1 ORIGIN OF THE PROPOSAL Driven by the large interest that 4th generation light

sources, i.e. X-ray SASE FEL's, have raised world-wide in the synchrotron light scientific community, as well as in the particle accelerator community, and following solicitations arising from several Italian national research institutions, the Italian Government launched in 2001 a long-term initiative devoted to the realization in Italy of a large scale ultra-brilliant and coherent X-ray source. The initiative was modulated into two phases, with anticipated budgets of 11 M¤ and 96 M¤ respectively: the first phase is meant to be a 3 year R&D program strategically oriented to explore the feasibility and the most crucial issues of the system which is expected to be designed and built in the second phase, aimed at the construction of the source in a 5-6 year time scale.

To pursue this program, the Italian Government published two calls for proposals, in March 2001 and in December 2001 for the two phases respectively. In March 2002 the proposal SPARC, here described, was approved, among others, to be funded with 9.5 M¤ over the available total budget of the first phase (11 M¤): funding should be delivered soon, allowing a prompt start-up of the project. In the meanwhile, two proposals, submitted in February 2002 at the second phase of the call for proposals, are waiting a final decision of approval: one of these, SPARX, is tightly correlated to the approved project SPARC and is

presented somewhere else at this conference [1]. SPARX has been submitted by a collaboration CNR-ENEA-INFN-Univ. Roma TV.

2 THE SPARC PROJECT The overall SPARC project consists of 4 main lines of

activity aiming at several goals: their common denominator is to explore the scientific and technological issues that set up the most crucial challenges on the way to the realization of a SASE-FEL based X-ray source. These are:

1) 150 MeV Advanced Photo-Injector Since the performances of X-ray SASE-FEL's are critically dependent on the peak brightness of the electron beam delivered at the undulator entrance, we want to investigate two main issues - generation of the electron beam and bunch compression via magnetic and/or RF velocity bunching - by means of an advanced system delivering 150 MeV electrons, the minimum energy to avoid further emittnace dilutions due to time-dependent space charge effects[2] 2) SASE-FEL Visible-VUV Experiment In order to investigate the problems related to matching the beam into an undulator and keeping it well aligned to the radiation beam, as well as the generation of non-linear coherent higher harmonics, we want to perform a SASE FEL experiment with the 150 MeV beam, using a segmented undulator with additional strong focusing, to observe FEL radiation at 500 nm and below 3) X-ray Optics/Monochromators The X-ray FEL radiation will provide unique radiation beams to users in terms of peak brightness and pulse time duration (100 fs), posing at the same time severe challenges to the optics necessary to guide and handle such radiation. This project willl pursue also a vigorous R&D activity on the analysis of radiaton-matter interactions in the spectral range typical of SASE X-ray

FEL's (from 0.1 to 10 nm), as well as the design of new optics and monochromators compatible with these beams 4) Soft X-ray table-top Source In order to test these optics and to start the R&D on applications, the project will undertake an upgrade of the presently operated table-top source of X-rays at INFM-Politecnico Milano, delivering 107 soft X-ray photons in 10-20 fs pulses by means of high harmonic generation in a gas. This will be a very useful bench-test for the activities performed in item 3 above. In the following, the lay-out and planned activities for

items 1 and 2 will be presented in more details, being these more related to the particle accelerator field.

3 ADVANCED PHOTO-INJECTOR Two are the main goals of this activity in the context of

the SPARC project: acquiring an expertise in the construction, commissioning and characterization of an advanced photo-injector system (which is today missing in the Italian particle accelerator community) and performing an experimental investigation of two theoretical predictions that have been recently conceived and presented by members of this study group. These are: the so-called Ferrario's working point[2] for high brightness RF photo-injectors and the velocity bunching technique to apply RF bunch compression[3] through the photo-injector, with emittance preservation.

The 150 MeV injector will be built inside an available bunker of the Frascati INFN National Laboratories: the general lay-out of the system is shown in Figure 1.

The proposed system to be built consists of: a 1.6 cell RF gun operated at S-band (2.856 GHz, of the BNL/UCLA/SLAC type [4]) and high peak field on the cathode (120-140 MeV/m) with incorporated metallic photocathode (Copper or Mg), generating a 6 MeV beam which is properly focused and matched into 2 accelerating sections of the SLAC type (S-band, travelling wave).

Figure 1 : Lay-out of the SPARC system

Our simulations using PARMELA indicate that we can generate with this system a beam like that needed by the FEL experiment at 150 MeV: in Figure 2 we report the longitudinal phase space distribution at the Linac exit. The rms correlated energy spread over the bunch is 0.14 % with a rms normalized emittance of 1.2 mm.mrad (at 1.6 nC bunch charge, 150 peak current), but the slice energy spread, calculated over a 300 mm slice length (comparable to the anticipated slippage length), is well below 0.05 % all over the bunch.

Figure 2 : Longit. phase space distribution at Linac exit

4 SASE-FEL EXPERIMENT This will be conducted using a permanent magnet

undulator made of 6 sections, each 2.5 m long, separated by 0.3 m gaps hosting single quadrupoles which focus in the horizontal plane. The undulator period is set at 3.3 cm, with an undulator parameter kw = 1.88 .

Figure 3 : Radiation Power growth along the undulator

A simulation performed with GENESIS is reported in Figure 3, showing the exponential growth of the radiation power along the undulator: almost 108 Watts can be reached after 14 m of total undulator length. Preliminary evaluations of the radiation power generated into the non-linear coherent odd higher harmonics show that 107 and 7x105 W can be reached on the third and fifth harmonics, respectively.

5 FURTHER EXPERIMENTS As shown in Figure 1, the SPARC lay-out anticipates

two main upgrades that will be implemented in a second phase of the project: a third accelerating section which will be actually inserted between the RF gun and the 2 previous sections, and a parallel beam line containing a magnetic compressor.

The new section will be designed to study RF compression: it will support traveling waves at an adjustable phase velocity (from v=c down to v=0.999c) in order to exploit the full potentialities of the velocity bunching technique [3]. Its design and construction will proceed in parallel to the commissioning of the SPARC injector system (RF gun + 2 standard SLAC-type 3 m sections). These tests of RF compression assume great relevance in our R&D program[5] since the general lay-out for SPARX foresees the use of a mixed compression scheme, RF compression in the photoinjector up to 700 A and one single stage of magnetic compression at 1 GeV up to the final peak current of 2.5 kA.

The second beam line will allow to conduct experiments on magnetic compression: we want to experimentally investigate CSR induced effects on emittance degradation and surface roughness wake-field effects, without interefering with the ongoing FEL experiment.

6 REFERENCES [1] D. Alesini et al., Study of a Soft X-Ray SASE-FEL

Source, this conference [2] M. Ferrario et al., Homdyn Study for the LCLS RF

Photoinjector , in The Physics of High Brightness Beams, J.Rosenzweig and L.Serafini ed., World Sci., ISBN 981-02-4422-3, June 2000

[3] L. Serafini and M. Ferrario, Velocity Bunching in PhotoInjectors , AIP CP 581, 2001, pag.87

[4] D.T. Palmer, The next generation photoinjector , PhD. Thesis, Stanford University

[5] M. Boscolo et al., Beam Dynamics Study of RF Bunch Compressors for High Brightness Beam Injectors , this conference

HIGH FIELD PHYSICS AND NON-LINEAR QUANTUM ELECTRODYNAMICS WITH THE LCLS

Group leaders: F.V. Hartemann, Institute for Laser Science and Applications, LLNL,

Livermore, CA 94550

P. Chen, SLAC, Stanford, CA 94309

INTRODUCTION

At high electromagnetic field strengths, nonlinear effects play a dominant role, yielding a wide variety of interesting phenomena and opening a new area of physics. The proposed Linac Coherent Light Source (LCLS) appears to be a unique tool to probe these new parameter regimes, both in Quantum and Classical Electrodynamics (QED and CED), and offers very exciting new opportunities, such as the experimental study of Hawking -Unruh radiation, which combines three apparently distinct branches of physics into a new field studying the behavior of the QED vacuum in curved space -time: thermodynamics, quantum mechanics, and general relativity. In addition, the coherent nature of the LCLS radiation output directly translates into the possibility of exciting multiphoton QED processes, including nonli near Compton scattering, nonlinear Delbruck scattering, as well as reaching the deep quantum regime, where the Lorentz-boosted electromagnetic field is well above the Schwinger critical field, and exotic processes such as trident pair production acquire a significant cross-section.

Two different natural scales appear in CED and QED: the so-called relativistic intensity regime, where electrons acquire relativistic transverse quiver momenta within a coherent electromagnetic wave, and the Schwinger critical field, where electron-positron pairs can be efficiently tunneled from vacuum fluctuations into real particles. In electron units, where charge is measured in units of , mass in units of , length in units of the

classical electron radius m, and time in units of , the

relativistic regime corresponds to a normalized 4 -potential larger than one: ;

also note that in these units, . The classical threshold into the

aforementioned relativistic regime is thus obtained when . Here,

is the electric field strength of the focused electromagnetic wave, which has a

peak intensity ; is the wave frequency. Assuming that the radiation source is

fully transversally coherent, the pulse can theoretically be focused to its diffraction limit,

where the focused intensity is of the order of , being the peak power of the source. Under this assumption, it is easily seen that the threshold for the relativistic intensity regime is independent of the wavelength, and can be defined in terms of peak

power only: GW. This regime will be reached by the LCLS. The second scale, which pertains to QED effects, is the Schwinger critical field:

V/m. The LCLS focused X -ray beam will approach this field; in addition, the wave electric field can be boosted into a relativistic frame to exceed

; the parameter ? is defined as the ratio of the (boosted) field to , and could reach extremely high values in head-on collisio ns between the LCLS focused X -ray beam and the 14 GeV electron beam. This would open an entirely new field of QED, the deep quantum regime, where vacuum pair production and the trident process, for example, could be studied in detail. At this point, it is very important to note that while the classical scale is frequency -independent, the QED scale depends very strongly on wavelength. For the same available peak power, the peak electric field of a short wavelength coherent source is much stronger than that produced by a longer wavelength laser and scales as : a 1 Å source is 8 orders of magnitude closer to than its 1 mm counterpart.

SCIENTIFIC OPPORTUNITIES

1. Nonlinear QED: Boiling the Vacuum

The physical nature of the vacuum, as exemplified by the QED vacuum, is an extremely important question, deeply connected with high energy physics and cosmology. A number of exotic effects, including the Casimir force, Hawking -Unruh radiation, and the cosmological constant are directly related to the underlying physical structure of the vacuum; therefore, experimental studies of the vacuum under new physical conditions, such as those produced by the LCLS, are expected to play a major role in 21st -century physics.

Because the focused LCL S X-ray beam approaches near-critical values, new experiments are possible, with reaction rates that are sufficient for detection. Within this context, two categories of experiments can be broadly defined. On the one hand the detailed study of processes already observed, directly or indirectly, such as nonlinear (multiphoton) Compton scattering, should be readily conducted with the much improved brightness of the LCLS, as compared to other short wavelength sources, or by taking advantage of the unique LCLS combination of extremely high peak powers and focused intensities, at short wavelengths. On the other hand, the LCLS parameters will also approach new

ranges, including the deep quantum regime and the critical field, thus allowing the study of pair production in vacuum and the trident process, for example.

The study of pair production in vacuum using the LCLS X -ray beam is a challenging, but important, basic physics experiment that was discussed at some length. The breakdown of the vacuum by an intense static electric field was first studied by Schwinger in 1951. For slowly-varying fields (at the Compton time-scale), two regimes have been defined, yielding pair production rates per unit space-time 4-volume. For small fields, at non-relativistic intensities, we have

, ,

which clearly scales as a multiphoton effect, as indicated by the power law governing the cross-section. For the LCLS, which will reach relativistic intensities, the probability is given by

, .

The salient feature of this second rate, is the exponential dependence on the ratio of the local electric field to the critical field; for the LCLS, this means that the spikes of the output radiation pulse, which are due to the stimulated amplification of the spontaneous emission (SASE) of the 14 GeV beam in the wiggler, can translates into an exponential increase of the pair production rate; a factor of 10 in the peak intensity will yield a gain of 3 orders of magnitude in the reaction rate:

,

where is the peak intensity in the spike, and is the average field produced by the focused LCLS beam, chosen here to be 10% of the critical field.

Neglecting this strong enhancement process, the pair production rate calculated for LCLS, for different experimental conditions are as follow:

Number of Pairs per

Pulse (120 Hz) LCLS Power

Saturation Efficiency

0.07

1.5 TW 3%

0.1 13 3 TW 6%

1

300 TW 6%

Note that here, a tapered wiggler was used to enhance the LCLS output power; this is a technique used in conventional free -electron lasers (FELs), where the dephasing of the electron beam due to saturation is compensated for by changing t he wiggler parameters: the FEL resonance condition is

,

where is the period of the tapered wiggler and is the wiggler strength parameter (normalized vector potential). These are designed to compensate for the energy loss of the radiating electron beam, described by , which has the initial value

, corresponding to the 14 GeV beam energy at the linac output. Such a tapered wiggler can be build at a very small fraction of the LCLS projected cost.

Pair production can also proceed via a virtual photon: the so-called trident process. Future linear colliders have a ? parameter of order 1 or greater, and thus backgrounds from pair production become important and have a strong impact on the effective luminosity of the machine. In fact, some designs for multi-TeV linear colliders have ? ? . In such designs, pair production via the trident process becomes comparable to the same process via real beamstrahlung photons. As a result, experimental comparisons to the theoretical rates would be of great interest to the design of future linear coll iders. It should also be noted that access to the high ? parameter range is not available anywhere at the present

time; thus, this further motivates high field QED studies using the LCLS. From an experimental point of view, the high ? range can be reached with the LCLS by colliding the focused X -ray beam with a second 14 GeV bunch. This boosts the peak electric field to values well above , with ? possible. Also note that this experimental situation will produce copious quantities of 14 GeV gammas, which could possibly produce muons, taus, and other pairs.

2. Laboratory Astrophysics: Heating the Vacuum and Hawking -Unruh Radiation

Quantum gravity (QG) remains one of the most elusive problems in modern physics. While superstring theories have given the promise of a truly unified physical theory of such processes, the approach taken by Hawking, Unruh, Davies, and others, where quantum electrodynamics (QED) and general relativity (GR) are integrated in a common theoretical framework, has provided striking new insights into QG processes, including the physics of the early Universe, black hole evaporation via the Hawking process, and Unruh radiation for an accelerated detector in the Minkowski vacuum.

Because the energy densities at which QG is expected to play an important role are extremely high — indeed, at the Planck scale — the question of experimentally verifying the models mentioned above appears to be extremely difficult. However, the particular case of Unruh radiation, where the Minkowski-QED vacuum is predicted to acquire a

thermal spectrum, with characteristic temperature , as measured by a uniformly accelerated detector, seems to be a very good candidate for experimental verification, as noted by Tajima and Chen, who derived the expected behavior of a point electron subjected to both an ultrahigh intensity laser field and the Unruh radiation induced by the violent acceleration of the charge within the Minkowski vacuum.

Within this context, the extreme acceleration of an electron with the very high field available in the LCLS raises the possibility of observing the scattering of Unruh radiation in the laboratory. For the LCLS parameters, the Unruh radiation temperature has been estimated at

eV,

which corresponds to K. The power is 20 GW, produced by a helical wiggler at a wavelength of 1.5 Å. In this case, the electric field is V/m and the electron acceleration within the coherent wave is m/s2.

One of the key parameters for a successful detection of Unruh radiation is to optimize the signal-to-noise ration between the Unruh and Larmor radiation processes; the latter being the parasitic channel in this case. The wavelength scaling of this parameter turns out to be

quite advantageous for LCLS as compared to a PW optical laser. The signal -to-noise ratio is given by

,

where is the laser normalized vector potential, and the signal-to-noise ratio scales as , gaining 4 orders of magnitude when comparing LCLS to an optical laser. Indeed,

assuming a PW laser capable of producing a normalized potential at 1 mm, one

obtains . For LCLS, and taking into account the different radiation patterns of the Unruh and Larmor radiation processes, the signal-to-noise ratio now reaches 1,000, thus making the experiment feasible. In addition, one can further discriminate between the two signals by spectrally filtering the photon energy.

3. Metrology: Mossbauer Fluorescence

The use of synchrotron radiation to excite low -lying nuclear excitations (Mossbauer levels) has recently proved to be useful for studies of magnetic phase transitions and lattice dynamics. In addition, the long temporal phase coherence of Mossbaue r excitations, when combined with the high brightness of a synchrotron beam, has led to a number of interesting studies of the time evolution of quantum wave packets. So far, using 2nd and 3rd generation synchrotron sources, the available brightness has allowed only single-quantum interference experiments. That is, the experiments are limited to having only one nuclear excitation at a time.

The tremendous peak brightness of the LCLS FEL beam would allow these quantum wave packet experiments to be extended i nto the regime in which many excitations evolve and interfere simultaneously. It is estimated that a single LCLS pulse would excite about 1000 nuclear excitations in a sample of 169Tm. These states would evolve coherently for several nanoseconds, giving the possibility of performing experiments exploiting the correlations and interference among them.

4. Vacuum X-Ray Laser Acceleration

The coherent photon field produced by the LCLS could also be used to study multiphoton radiation reaction effects. For example, it is well-known that plane waves cannot accelerate free electrons in vacuum via the Lorentz force; however, the situation changes when the photon wavelength approaches the Compton wavelength, and radiative recoil becomes important. This type of effect can be studied within the context of the classical Dirac-Lorentz equation,

,

where s is the Compton time-scale, and where the first term in the bracketed expression corresponds to the Schott term, while the second term is the usual radiation damping 4-force. For an electron interacting with a plane electromagnetic wave, this reduces to

,

where the Lorentz force is given in terms of the external electromagnetic field by: , . Subtracting the axial component of this equation from the

time-like component, we obtain an equation governing the evolution of the light-cone variable,

,

which we have recast using the phase as the independent variable. Here,

is the inverse of the LCLS wavelength measured in units of the classical electron radius. A perturbation analysis in the small parameter yields a simple differential equation for the light-cone variable, which is no longer invariant:

,

where we are considering a circularly polarized pulse with temporal envelope . This equation is easily integrated, and for a Gaussian pulse of width , the net coherent recoil is given by

for electrons starting from rest, at , and for fs. Note that both and scale as the inverse wavelength, while the relativistic regime is reached above 8.72 GW,

independent of the wavelength; therefore, coherent recoil scales as , and the proposed LCLS parameters would make an experimental study of this effect feasible.

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