THz frequency structures for particle accelerators: Realising ultrafast electron beam manipulation and diagnostics

粒子加速器的太赫兹频率结构:实现超快电子束操纵和诊断

基本信息

  • 批准号:
    ST/Y510002/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 63.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2024 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Building on past proof-of-concept research and accelerator test-facility demonstrations, we will develop a terahertz (THz) driven electron beam acceleration and deflection system that can provide a step-change in the sub-picosecond particle-beam and diagnostic capabilities at accelerator facilities. Our goal is to take our advances and knowledge in laser-derived high-power terahertz frequency electromagnetic sources, and in terahertz-frequency interaction structures, and develop a system at technology readiness TRL-4/5. The system will incorporate proven concepts, with additional advances in THz source and interaction structure tuning, in transverse mode-conversion, and in source-structure coupling. The system performance will be verified at an accelerator test facility as a step towards engagement of commercial development partners.We have recently developed dielectric-lined rectangular waveguide structures for terahertz-driven acceleration of electron beams [1,2], and the high-power (MW) THz sources for powering them [3]. Our structures and sources achieve THz phase velocity matching with co-propagating electron bunches at relativistic energies. Through the proposed developments, we envisage the widespread uptake of dielectric-lined waveguides and laser-driven THz sources within integrated systems for sub-picosecond phase-space manipulation of electron and positron beams. The systems will also find widespread application in the characterisation of ultrashort, sub-100 femtosecond, electron beams at advanced accelerator facilities.The technology is currently at TRL-3 with the technology concept formulated and proof-of-concept demonstrations of THz-electron interaction structures and of THz sources. This proposed research will seek to develop the technology to TRL 5, with an early-stage prototype integrated system, in advance of future full prototype development with commercial partners.This proposal has three objectives:Technical and scientific development of high-power (MW) THz source and interaction structures. Specific developments include source and structure frequency tuning, mode-conversion, and THz generation efficiency.Delivering an integrated system suitable for accelerator facility testing, and as pathway to commercial development.Establishing intellectual property, and forming a strategic partnership with industry to exploit the commercial potential of our THz diagnostic technology.[1] V. Georgiadis, et al. "Dispersion in dielectric-lined waveguides designed for terahertz-driven deflection of electron beams". Appl. Phys. Lett. 118, 144102 (2021)[2] M.T. Hibberd? et al. "Acceleration of relativistic beams using laser-generated terahertz pulses". Nature Photon. 14, 755 (2020)[3] C.D.W. Mosley, et al. "Large-area periodically-poled lithium niobate wafer stacks optimized for high-energy narrowband terahertz generation". Optics Express 4041, 31, (2023)
在过去的概念验证研究和加速器测试设施演示的基础上,我们将开发一种太赫兹(THz)驱动的电子束加速和偏转系统,该系统可以在加速器设施中提供亚皮秒粒子束和诊断能力的阶跃变化。我们的目标是利用我们在激光衍生的高功率太赫兹频率电磁源和太赫兹频率相互作用结构方面的进步和知识,并开发技术准备TRL-4/5的系统。该系统将采用经过验证的概念,并在THz源和相互作用结构调谐、横向模式转换和源-结构耦合方面取得额外进展。系统性能将在加速器测试设施中进行验证,作为商业开发合作伙伴参与的一步。我们最近开发了用于太赫兹驱动电子束加速的介质内衬矩形波导结构[1,2],以及为其供电的高功率(MW)THz源[3]。我们的结构和源实现太赫兹相速度匹配的相对论能量的共同传播的电子束。通过提出的发展,我们设想广泛吸收的介电内衬波导和激光驱动的太赫兹源的集成系统内的亚皮秒相空间操纵的电子和正电子束。该系统还将广泛应用于先进加速器设施中超短、亚100飞秒电子束的表征。该技术目前处于TRL-3阶段,其技术概念已形成,并对太赫兹电子相互作用结构和太赫兹源进行了概念验证。这项研究将寻求开发技术的TRL 5,与早期的原型集成系统,在未来的完整原型开发与商业合作伙伴。这项建议有三个目标:技术和科学发展的高功率(MW)太赫兹源和相互作用的结构。具体开发包括源和结构频率调谐、模式转换和THz产生效率。提供适合加速器设备测试的集成系统,并作为商业开发的途径。建立知识产权,并与业界建立战略合作伙伴关系,以开发THz诊断技术的商业潜力。[1]V. Georgiadis等人。“为太赫兹驱动的电子束偏转而设计的介质衬里波导中的色散”。应用物理信函118,144102(2021)[2] M.T.冬眠?等人的“Acceleration of relativistic beams using laser-generated terahertz pulses”。Nature Photon. 14,755(2020)[3] C.D.W. Mosley等人,“为高能量窄带太赫兹产生优化的大面积极化锂酸盐晶片堆”。光学快递4041,31,(2023)

项目成果

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