phase space density small emittance vs low efficiency small cross section Hybridization a machine developed for applied physics FEL joined to a machine developed for fundamental research LHC ID: 800222
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Slide1
Colliding the Highest Brilliance Photon beam with the Highest Luminosity Hadron beam
⇒ phase space density (small emittance) vs. low efficiency (small cross section)Hybridization: a machine developed for applied physics (FEL) joined to a machine developed for fundamental research (LHC) ??TeV-class pion, muon, photon, neutrino beams with mm.mrad-class normalized transverse emittancesIdea of shooting lasers to hadron beams is an old one… keywords: high brilliance, high 6D phase space density, highly relativistic
High Brightness Secondary Beams fromHadron-Photon Colliders: p, m, g, nLorentz Boosted pion-muon Photo-cathodes
Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016
Luca Serafini
, Camilla Curatolo - INFN/Milan and Univ. of Milan
Slide2Not a new idea.. but A.Dadi and C.Muller analyzed a multi-photon reaction and didn
’
t make evaluations of the phase spaces for the generated pion/muon beams
Slide3Slide4Slide5Why FEL’s ?
Best Machines for High Brilliance Photon beams(though limited to 10-20 keV photon energy)
Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016
Slide6FLASH
12.4
1.24
0.124
l
(nm)
Thomson/Compton Sources
Brilliance of Lasers and X-ray sources
BELLA
ELI
Outstanding X/
g
photon beams
for Exotic Colliders
Sorgenti Thomson/Compton e Collisori Fotonici - Dottorato Roma1 - Oct. 2016
Slide7Slide8Slide9Slide10Meeting RD-FA
–
CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016
Slide11Slide12Slide13Slide14Slide15Slide16Slide17Meeting RD-FA
– CSN1
– Roma3, Nov. 9th, 2016
Slide18Slide19f=100 Hz
Slide20X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
Slide21X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
Slide22X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
Slide23X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
Slide24X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
SPS
Slide25X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
Slide26Meeting RD-FA
– CSN1
– Roma3, Nov. 9th, 2016
Slide27Slide28Slide29Slide30Slide31X-band FEL meeting, CERN, Oct. 13th 2016
Slide32Raggi X Monocromatici: Sorgenti di
Luce di Sincrotrone di 3a e 4a Generazione3a: Synchrotron Light Sources: energia fotoni X < 50 keV,durata temporale impulso di radiazione > 50 ps,dimensioni, costi: (100 m, 300 M$)
4a: X-ray Free Electron Laser (LCLS): energia fotoni ≤ 25 keV, durata impulso 1-100 fs, (1 km, 1 G$)
Slide33Nuovo Approccio: inverse Compton scattering (ICS), cioe’ retro-diffusione Thomson/Compton di fasci laser da parte di fasci relativistici di elettroni prodotti da acceleratori compatti. Energia fotoni X da 20 a 200 keV, durata impulso sub-ps, Paradigma Dimensioni-Costi
(10 m , 10 M$)A volte menzionati come Laser Synchrotrons, cioe’ Sincrotroni Laser, in quanto il fascio laser collidente con il fascio di elettroni sostituisce i campi magnetici di dipolo o di ondulatore che deflettono il fascio di elettroni nelle Sorgenti di Luce di SincrotroneGrande vantaggio rispetto ai tubi a Raggi X convenzionali (bremsstrahlung): righe definite e regolabili nello spettro in energia permettono nelle tecniche di radiological imaging di non depositare dose di radiazione nei tessuti (coda di bassa energia dello spettro X di bremsstrahlung) che non trasporti informazione al rivelatore
Slide34Collisore elettrone-fotone altamente
asimmetrico e compatto* (cfr. LHC)Fascio secondario di fotoni prodotto grazie al grande boost di Lorentz del sistema di riferimento del centro di massa elettrone-fotone (cfr. LHC, simmetrico, zero boost di Lorentz)
*10 m, 10 M$Elettroni con energia nel range 10-100 MeV collidono contro fotoni laser con energia nel range 1-3 eVNuova Generazione
Slide35La sfida tecnologica e’ far collidere due fasci contro-propaganti dello “spessore” di una decina di microns (due capelli) lanciati alla velocita’ della luce uno contro l’altro.
LHC (bosone di Higgs) docet…L’ambizione e’ costruire sistemi cosi’ compatti e performanti da poter essere localizzati all’interno dei grandi Istituti Ospedalieri per la diagnostica e la terapia sui pazientiBriXS…Il principio della sor
gente di raggi X Thomson
Slide36macchina
compatta 10x10 m2In operazione dai primi del 2015
Slide37Flusso misurato
5
.1010 fotoni/s con 20 mAmeasured
Righe spettralimono-cromatiche
e accordabili
Slide38Courtesy A. Variola
STAR
Le Sorgenti Thomson/Compton sono gli “acceleratori di fotoni” piu’ efficaci
“4
g
2
boost effect”
HigS
ELI-NP
CALA
Slide39Schema del dispositivo
BriXS
Slide40Fase
1: 32 M€ per un Linac CW Super-Conduttivo
da 50 MeV accoppiato ad una cavi
tà ottica
F
a
b
ry-Per
o
t
p
er
g
e
n
erare
ra
ggi
X
da
20
ke
V
a
80 keV (1013 fotoni/s)
Fase 2: 16 M€ addizionali per Linac
upgrade
a 80
MeV
con
raggi
X fino a 200 keV ad altissimo fluss
o (1015
fotoni/
s)Investimento per impianti ed edilizia: 18 M€INFN e UniMi hanno competenz
e leader in questi settori per la progettazione e costruzione di BriXS (Progetti XFEL, ELI-N
P, S
TAR, SPARC-LAB)
Pr
oposta BRIXS modulabile in
2 fasi:
Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016
Slide41S
TAR (Calabria) Linac 20-100 1011 (100 Hz) 18From THOMX Conceptual Des
ign Report, A.Variola, A.Loulergue, F.Zomer, LAL RT 09/28, SOLEIL/
SOU-RA-2678, 2010So
r
g
e
nti
T
homson
e
sist
e
nti
e
d in
c
ostru
z
ione
Meeting RD-FA – CSN1 – Roma3, Nov. 9th, 2016
Slide42Rivaling with Synchr. Light Sources for energies above 50 keV
Slide431-25 GeV
electrons
100-0.5 Åphotons
cm und. period
l
u
FEL
’
s
and
Thomson/Compton Sources
common mechanism:
collision between a relativistic electron and a (pseudo)electromagnetic wave
20-150 MeV electrons
0.8
m laser
l
20-500 keV
photons
3 km
20 m
The Classical E.M. view (Maxwell eq.): Thomson Sources as
synchrotron radiation sources with electro-magnetic undulator
Slide44X-ray flux
NXbw in photons/sec within rms bandwidth bwCase A: head-on collision STAR-like UL energy of colliding laser pulse, Q electron bunch charge, fRF rep rate of electron bunches,
sx electron beam spot size at collisionCase B: BriXS-like with F-P optical cavityPFP power stored in Fabry-Perot cavity, <Ie> average electron beam current