ECTS - University of Pisa
Il corso intende fornire allo studente competenze (sia a livello di fisica che di trattazione analitico/numerica) riguardanti gli acceleratori di particelle compatti da interazione laser-plasma. Tali acceleratori sfruttano il campo elettrico di onde longitudinali nei plasmi eccitate da impulsi laser ultra-intensi e permettono la realizzazione di campi elettrici acceleranti dell'ordine di decine di GV/m, quindi circa tre ordini di grandezza piu' elevati rispetto a quelli ottenibili con agli acceleratori convenzionali. Tali competenze saranno sviluppate dapprima mediante lo studio dell'eccitazione e propagazione di onde nei plasmi sottocritici e, successivamente, con l'approfondimento delle problematiche fisiche che sottendono la generazione degli impulsi laser ultraintensi. Lo studio dell'evoluzione (anche in regime fortemente nonlineare) di tali onde di plasma e dell'impulso laser che le eccita, verra' successivamente affrontato sia con tecniche analitiche che numeriche. Verranno, inoltre, discussi i principi fisici e le tecniche principali per iniettare i bunches di elettroni nell'onda di plasma, con enfasi sugli schemi di iniezione che consentono la generazione di bunches ad elevata qualita' (brillanza), qundi di potenziale utilizzo in acceleratori "in cascata" o in sorgenti di radiazione X coerente (Free Electron Laser).
The course aims at developing (physical and analytical/numerical) skills on compact laser-plasma accelerators employing ultra-intense laser pulses that excite longitudinal plasma waves in under-critical plasmas. Laser-plasma accelerators are nowdays able to generate accelerating gradients of tens of GV/m, i.e. about three orders of magnitude higher than those obtainable in standard accelerators. During the course, the physics of ultraintense laser pulse generation will be introduced. Next, a linear and a fully nonlinear treatment of the plasma waves and of the laser pulse (coupled) evolution will be given. Finally, we will explore bunch-injection techniques (trapping of the electrons in the plasma wave), with enphasis on those schemes aiming at generating high-quality bunches, i.e. bunches having enough quality to be employed in a multi-stage accelerator scheme or to trigger an high-brilliance coherent X-ray source (Free Electron Laser).
Competenze di elettromagnetismo ed elettrodinamica classica (corso di Fisica 2), basi di relatività speciale e meccanica relativistica (corso di Meccanica) incluse le funzioni di distribuzione nello spazio delle fasi.
Skills on classical mechanics and electromagnetism, on special relativity and relativistic mechanics (including phase-space dynamics).
MODULO 0: Il concetto di acceleratore laser-plasma per elettroni. Accelerazione di elettroni per effetti collettivi in un plasma; miniaturizzazione degli acceleratori; stato dell'arte degli esperimenti di accelerazione al GeV e prospettive per gli acceleratori al TeV. MODULO 1: Il mezzo che sostiene le onde longitudinali che accelerano gli elettroni:
I plasmi freddi non collisionali, equazioni di Vlasov, onde nei plasmi sottocritici. MODULO 2: Come eccitare le onde di plasma: Laser ultraintensi, pressione di radiazione e forza ponderomotrice, eccitazione di onde di plasma longitudinali in plasmi sottocritici (regime lineare 3D). MODULO 3: Concetti base per gli acceleratori laser-plasma Gli acceleratori laser-plasma in regime lineare. Approssimazione quasistatica. Trattazione analitica nonlineare 1D. MODULO 4: Generazione dell'impulso laser e sua evoluzione del laser e del plasma Come generare un impulso laser ultra-corto e ultra-intenso.
Estensione della lunghezza di collimazione tramite guiding in un canale di plasma, effetti di auto-focalizzazione, scambio di energia tra l'impulso laser e il plasma. MODULO 5: Schemi di iniezione degli elettroni nelle onde di plasma Iniezione esterna tramite iniettore standard a fotocatodo. Iniezione interna alla Pukhov (regime a bolla). Iniezione interna controllata Bulanov-Pegoraro (downramp). Iniezione interna controllata multi-impulso. MODULO 6: Simulazioni numeriche Codici di simulazione di tipo fluido, ibrido e particle-in-cell. Gestione di simulazioni PIC (codice FB-PIC) su GPU e ibride (codice QFluid) su CPU. MODULO 7: Concetto di acceleratore in cascata Acceleratori al TeV ottenuti mediante sequenza di acceleratori laser-plasma e possibili collisori e+ e-.
Lezioni complete in Power Point
Appunti sul corso preparati dal docente in formato OneNote.
Articoli di review.
A discrezione dello studente, esame orale sul programma del corso oppure preparazione (assisita dal docente) di una "tesina" che approfondisca un argomento scelto dallo studente, esposta durante un seminario.
The student may choose either an oral examination on the course program or the preparation of a seminar which should expand a bit a topic of the course (at the student's preference). Lingua ufficiale Italiano (materials as presentations, papers and books in English). In presenza di studenti stranieri il corso puo' essere interamente effettuato in Inglese.
