Diagnostic development for laser wakefield accelerated electron beams at ELI Beamlines

Accelerated particle beams are used in a wide range of fields and applications, including medical ones. Laser wakefield acceleration is one of the most advanced emerging acceleration methods. The quality of the irradiation delivered by this technique is a key factor for the future development of plasma acceleration. This thesis focuses on the ALFA beamline and the EBDS experimental station at the ELI Beamlines facility in the Czech Republic. The aim of this research work is the development of diagnostics able to characterize relevant parameters of plasma accelerated electron beam irradiation. The first three presented contributions aim to improve the current EBDS set-up: a laser focal spot analysis script, installation of newly designed 3D printed components in the target structure, and an analysis of irradiated radiochromic films. Each work is presented in detail, discussing its implementation within EBDS. Results regarding focal spot pointing, stability measurements of the transitional target tower, and extension of the dynamic range above the saturation threshold of radiochromic films are reported at the end of each respective section. To conclude, a completely new diagnostic, a line scan camera, is developed a calibrated and installed. The results obtained with this camera demonstrate its potential for real time shot-to-shot characterization of plasma accelerated electron beams.

I fasci di particelle accelerate sono usati in un' ampia varietà di campi di studio e applicazioni, tra cui quelle mediche. L'accelerazione laser con wakefield è uno dei metodi di accelerazione emergenti più avanzati. La qualità dell'irradiazione usando questo tecnica è un fattore chiave per il futuro sviluppo dell'accelerazione al plasma. Questo lavoro di tesi è focalizzato sulla linea di fascio ALFA e sulla stazione sperimentale EBDS presenti ad ELI Beamlines in Repubblica Ceca. Lo scopo di questo lavoro di ricerca è lo sviluppo di diagnostiche in grado di caratterizzare parametri rilevanti nell'irradiazione con fasci di elettroni accelerati al plasma. I primi tre contributi presentati mirano al miglioramento del corrente set-up di EBDS: un codice di analisi per il fuoco del laser, l'installazione di nuovi design di parti stampate 3D, e l'analisi di film radiocromici precedentemente irradiati. Ciacun lavoto è ripreso in dettaglio, discutendone le sue implementazioni dentro EBDS. I risultati riguardanti il puntamento del fuoco, le misure di stbilità della torre traslazionale, e l'estensione del range dinamico dei film radiocromici sopra la soglia di saturazione sono riportati alla fine di ogni rispettiva sezione. In conclusione, un diagnostica completamente nuova, una telecamera a scansione lineare, è stata sviluppata, calibrata e installata. I risultati ottenuti con questa camera dimostrano le sue potenzialità per la caratterizzazione in tempo reale sparo per sparo di fasci di elettroni accelerati al plasma.