Characterization of plasma sources for plasma-based accelerators

Electron plasma acceleration technology is nowadays one of the main challenges of particle accelerator physics. Novel plasma-based acceleration schemes allow a drastic reduction in size and cost of particle accelerators, offering a promising alternative to conventional RF-based accelerators. Plasma acceleration is performed by injecting a driver beam, either a particle bunch or a laser beam, inside a plasma. The interaction between a driver beam and plasma will generate the wakefield inside the plasma. The wakefield created by the driver is able to accelerate a trailing particle bunch, called "witness", with high acceleration gradient. The density of plasma electrons inside the plasma source therefore plays an important role in the acceleration itself, since it is the medium in which the process takes place. This thesis, carried out at INFN-LNF, inside the SPARC_LAB (Sources for Plasma Accelerators and Radiation Compton with Laser And Beam) Project, aims at offering a characterization of the plasma source, whilst analyzing many of the state-of-art methods to shape and tune the density inside the source, more specifically the capillary source, in order to obtain a high efficiency in the overall process of plasma acceleration. The characterization of such devices, based on spectroscopic analysis of light-emitted plasma, made possible to understand the behavior of the plasma electrons inside this confined space, and how experimental conditions and capillary geometry, like pressure and current, affect the plasma formation and distribution, thus providing a deeper insight in the design of plasma sources for particle accelerators. Furthermore the experimental analysis presented in the thesis work allowed to design novel schemes for plasma discharge capillaries, which can contribute to the compactness and cost-effectiveness of future plasma-based accelerators.

L'accelerazione di elettroni tramite plasma è una delle principali sfide della fisica degli acceleratori di particelle degli ultimi tempi. Nuovi schemi di accelerazione basati sul plasma consentono una drastica riduzione delle dimensioni e costo degli acceleratori di particelle, offrendo una promettente alternativa ai convenzionali acceleratori basati su RF. L'accelerazione di elettroni al plasma viene eseguita iniettando un fascio di particelle o un laser all'interno di un plasma. L'interazione tra il fascio, che fa da driver, e il plasma genererà un campo d'onda all'interno del plasma stesso. Il campo d'onda creato dal driver è in grado di accelerare un secondo gruppo di particelle inviato in un secondo momento, chiamato "witness", con elevato gradiente di accelerazione. La densità di elettroni all'interno della sorgente di plasma svolge quindi un ruolo importante nella accelerazione stessa, poiché la sorgente è il mezzo in cui si svolge il processo. Questa tesi, svolta all'INFN-LNF, all'interno del progetto SPARC_LAB (Sources for Plasma Accelerators and Radiation Compton with Laser And Beam), mira ad offrire una caratterizzazione della sorgente di plasma, analizzando molti dei metodi più avanzati per modellare e regolare la densità all'interno della sorgente, più specificamente il capillare, in per ottenere un'elevata efficienza nel processo globale di accelerazione del plasma. La caratterizzazione di tali dispositivi, basata su analisi spettroscopica della luce emessa dal plasma, ha reso possibile capire il comportamento degli elettroni del plasma all'interno di questo spazio confinato, e come le condizioni sperimentali e la geometria capillare, ad esempio la pressione e corrente, influenzano la formazione e distribuzione del plasma, fornendo così una visione più approfondita nella progettazione di sorgenti di plasma per acceleratori di particelle. Inoltre, l'analisi sperimentale presentata in questo lavoro di tesi, permette di progettare nuovi schemi per i capillari di scarico del plasma, che possono contribuire alla compattezza ed economicità dei futuri acceleratori al plasma.