We present the results of transverse emittance and longitudinal current profile measurements of high bunch charge (≥100 pC) beams produced in the DC gun-based Cornell energy recovery linac photoinjector. In particular, we show that the cathode thermal and core beam emittances dominate the final 95% and core emittances measured at 9–9.5 MeV. Additionally, we demonstrate excellent agreement between optimized 3D space charge simulations and measurement, and show that the quality of the transverse laser distribution limits the optimal simulated and measured emittances. These results, previously thought achievable only with RF guns, demonstrate that DC gun based photoinjectors are capable of delivering beams with sufficient single bunch charge and beam quality suitable for many current and next generation accelerator projects such as Energy Recovery Linacs and Free Electron Lasers.

1.
G. R.
Neil
,
C. L.
Bohn
,
S. V.
Benson
,
G.
Biallas
,
D.
Douglas
,
H. F.
Dylla
,
R.
Evans
,
J.
Fugitt
,
A.
Grippo
,
J.
Gubeli
,
R.
Hill
,
K.
Jordan
,
R.
Li
,
L.
Merminga
,
P.
Piot
,
J.
Preble
,
M.
Shinn
,
T.
Siggins
,
R.
Walker
, and
B.
Yunn
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
662
(
2000
).
2.
I. V.
Bazarov
,
S. A.
Belomestnykh
,
D. H.
Bilderback
,
M. G.
Billing
,
J. D.
Brock
,
B. W.
Buckley
,
S. S.
Chapman
,
E. P.
Chojnacki
,
Z. A.
Conway
,
J. A.
Crittenden
,
D.
Dale
,
J. A.
Dobbins
,
B. M.
Dunham
,
R. D.
Ehrlich
,
M. P.
Ehrlichman
,
K. D.
Finkelstein
,
E.
Fontes
,
M. J.
Forster
,
S. W.
Gray
,
S.
Greenwald
,
S. M.
Gruner
,
C.
Gulliford
,
D. L.
Hartill
,
R. G.
Helmke
,
G. H.
Hoffstaetter
,
A.
Kazimirov
,
R. P.
Kaplan
,
S. S.
Karkare
,
V. O.
Kostroun
,
F. A.
Laham
,
Y. H.
Lau
,
Y.
Li
,
X.
Liu
,
M. U.
Liepe
,
F.
Loehl
,
L.
Cultrera
,
T.
Miyajima
,
C. E.
Mayes
,
J. M.
Maxson
,
A.
Meseck
,
A. A.
Mikhailichenko
,
D.
Ouzounov
,
H. S.
Padamsee
,
S. B.
Peck
,
M. A.
Pfeifer
,
S. E.
Posen
,
P. G.
Quigley
,
P.
Revesz
,
D. H.
Rice
,
U.
Sae-Ueng
,
D. C.
Sagan
,
J. O.
Sears
,
V. D.
Shemelin
,
C. K.
Sinclair
,
D. M.
Smilgies
,
E. N.
Smith
,
K. W.
Smolenski
,
C.
Spethmann
,
C.
Song
,
T.
Tanabe
,
A. B.
Temnykh
,
M.
Tigner
,
N. R. A.
Valles
,
V. G.
Veshcherevich
,
Z.
Wang
,
A. R.
Woll
,
Y.
Xie
, and
Z.
Zhao
,
Cornell Energy Recovery Linac Project Definition Design Report, Tech. Rep.
(
Cornell University
,
2012
).
3.
P.
Emma
,
R.
Akre
,
J.
Arthur
,
R.
Bionta
,
C.
Bostedt
,
J.
Bozek
,
A.
Brachmann
,
P.
Bucksbaum
,
R.
Coffee
,
F.-J.
Decker
,
Y.
Ding
,
D.
Dowell
,
S.
Edstrom
,
A.
Fisher
,
J.
Frisch
,
S.
Gilevich
,
J.
Hastings
,
G.
Hays
,
P.
Hering
,
Z.
Huang
,
R.
Iverson
,
H.
Loos
,
M.
Messerschmidt
,
A.
Miahnahri
,
S.
Moeller
,
H.-D.
Nuhn
,
G.
Pile
,
D.
Ratner
,
J.
Rzepiela
,
D.
Schultz
,
T.
Smith
,
P.
Stefan
,
H.
Tompkins
,
J.
Turner
,
J.
Welch
,
W.
White
,
J.
Wu
,
G.
Yocky
, and
J.
Galayda
,
Nat. Photonics
4
,
641
(
2010
).
4.
V.
Ptitsyn
,
L.
Ahrens
,
D.
Anderson
,
M.
Bai
,
J.
Beebe-Wang
,
I.
Ben-Zvi
,
M.
Blaskiewicz
,
J. M.
Brennan
,
R.
Calaga
,
X.
Chang
,
E. D.
Courant
,
A.
Deshpande
,
A.
Fedotov
,
W.
Fischer
,
H.
Hahn
,
J.
Kewisch
,
V.
Litvinenko
,
W. W.
MacKay
,
C.
Montag
,
S.
Ozaki
,
B.
Parker
,
S.
Peggs
,
T.
Roser
,
A.
Ruggiero
,
B.
Surrow
,
S.
Tepikian
,
D.
Trbojevic
,
V.
Yakimenko
,
S. Y.
Zhang
,
M.
Farkhondeh
,
W.
Franklin
,
W.
Graves
,
R.
Milner
,
C.
Tschalaer
,
J.
van der Laan
,
D.
Wang
,
F.
Wang
,
A.
Zolfaghari
,
T.
Zwart
,
A. V.
Otboev
,
Yu. M.
Shatunov
, and
D. P.
Barber
, “
eRHIC, A Future Electron-Ion Collider at BNL
,” in
Proceedings of EPAC 2004, Lucerne
, Switzerland, 5–9 July 2004, paper MOPLT170, available at https://accelconf.web.cern.ch/accelconf/e04/PAPERS/MOPLT170.PDF.
5.
J. B.
Hastings
,
F. M.
Rudakov
,
D. H.
Dowell
,
J. F.
Schmerge
,
J. D.
Cardoza
,
J. M.
Castra
,
S. M.
Gierman
,
H.
Loos
, and
P. M.
Weber
, “
Ultrafast time-resolved electron diffraction with megavolt electron beams
,”
Appl. Phys. Lett.
89
,
184109
(
2006
).
6.
W. E.
King
,
G. H.
Campbell
,
A.
Frank
,
B.
Reed
,
J. F.
Schmerge
,
B. J.
Siwick
,
B. C.
Stuart
, and
P. M.
Weber
,
J. Appl. Phys.
97
,
111101
(
2005
).
7.
T.
van Oudheusden
,
E. F.
de Jong
,
S. B.
van der Geer
,
W. P. E. M.
O.'t Root
,
O. J.
Luiten
, and
B. J.
Siwick
,
J. Appl. Phys.
102
,
093501
(
2007
).
8.
X.
Wang
, in
Research in Optical Sciences
(
Optical Society of America
,
2012
) p.
IT3D.1
.
9.
P.
Anthony
,
R.
Arnold
,
C.
Arroyo
,
K.
Baird
,
K.
Bega
,
J.
Biesiada
,
P.
Bosted
,
M.
Breuer
,
R.
Carr
,
G.
Cates
,
J.-P.
Chen
,
E.
Chudakov
,
M.
Cooke
,
F.
Decker
,
P.
Decowski
,
A.
Deur
,
W.
Emam
,
R.
Erickson
,
T.
Fieguth
,
C.
Field
,
J.
Gao
,
K.
Gustafsson
,
R.
Hicks
,
R.
Holmes
,
E.
Hughes
,
T.
Humensky
,
G.
Jones
,
L.
Kaufman
,
Y.
Kolomensky
,
K.
Kumar
,
D.
Lhuillier
,
R.
Lombard-Nelsen
,
P.
Mastromarino
,
B.
Mayer
,
R.
McKeown
,
R.
Michaels
,
M.
Olson
,
K.
Paschke
,
G.
Peterson
,
R.
Pitthan
,
K.
Pope
,
D.
Relyea
,
S.
Rock
,
O.
Saxton
,
G.
Shapiro
,
J.
Singh
,
P.
Souder
,
Z.
Szalata
,
W.
Tobias
,
B.
Tonguc
,
J.
Turner
,
B.
Tweedie
,
A.
Vacheret
,
D.
Walz
,
T.
Weber
,
J.
Weisend
,
D.
Whittum
,
M.
Woods
, and
I.
Younus
(SLAC E158 Collaboration),
Phys. Rev. Lett.
92
,
181602
(
2004
).
10.
P.
Emma
,
J.
Frisch
,
Z.
Huang
,
A.
Marinelli
,
T.
Maxwell
,
H.
Loos
,
Y.
Nosochkov
,
T.
Raubenheimer
,
J.
Welch
,
L.
Wang
,
M.
Woodley
,
A.
Saini
,
N.
Solyak
,
J.
Qiang
, and
M.
Venturini
, “
Linear Accelerator Design for the LCLS-II FEL Facility
,” in
Proceedings of FEL2014
, Basel, Switzerland, 25–29 August 2014, paper THP025, available at http://www.fel2014.ch/prepress/FEL2014/papers/thp025.pdf.
11.
F.
Sannibale
,
D.
Filippetto
,
C. F.
Papadopoulos
,
J.
Staples
,
R.
Wells
,
B.
Bailey
,
K.
Baptiste
,
J.
Corlett
,
C.
Cork
,
S.
De Santis
,
S.
Dimaggio
,
L.
Doolittle
,
J.
Doyle
,
J.
Feng
,
D.
Garcia Quintas
,
G.
Huang
,
H.
Huang
,
T.
Kramasz
,
S.
Kwiatkowski
,
R.
Lellinger
,
V.
Moroz
,
W. E.
Norum
,
H.
Padmore
,
C.
Pappas
,
G.
Portmann
,
T.
Vecchione
,
M.
Vinco
,
M.
Zolotorev
, and
F.
Zucca
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
15
,
103501
(
2012
).
12.
B.
Dunham
,
J.
Barley
,
A.
Bartnik
,
I.
Bazarov
,
L.
Cultrera
,
J.
Dobbins
,
G.
Hoffstaetter
,
B.
Johnson
,
R.
Kaplan
,
S.
Karkare
,
V.
Kostroun
,
Y.
Li
,
M.
Liepe
,
X.
Liu
,
F.
Loehl
,
J.
Maxson
,
P.
Quigley
,
J.
Reilly
,
D.
Rice
,
D.
Sabol
,
E.
Smith
,
K.
Smolenski
,
M.
Tigner
,
V.
Vesherevich
,
D.
Widger
, and
Z.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
034105
(
2013
).
13.
C.
Gulliford
,
A.
Bartnik
,
I.
Bazarov
,
L.
Cultrera
,
J.
Dobbins
,
B.
Dunham
,
F.
Gonzalez
,
S.
Karkare
,
H.
Lee
,
H.
Li
,
Y.
Li
,
X.
Liu
,
J.
Maxson
,
C.
Nguyen
,
K.
Smolenski
, and
Z.
Zhao
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
16
,
073401
(
2013
).
14.
I. V.
Bazarov
,
B. M.
Dunham
,
C.
Gulliford
,
Y.
Li
,
X.
Liu
,
C. K.
Sinclair
,
K.
Soong
, and
F.
Hannon
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
11
,
100703
(
2008
).
15.
Z.
Zhao
,
B. M.
Dunham
,
I.
Bazarov
, and
F. W.
Wise
,
Opt. Express
20
,
4850
(
2012
).
16.
L.
Cultrera
,
S.
Karkare
,
B.
Lillard
,
A.
Bartnik
,
I.
Bazarov
,
B.
Dunham
,
W.
Schaff
, and
K.
Smolenski
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
103504
(
2013
).
17.
I.
Bazarov
,
L.
Cultrera
,
A.
Bartnik
,
B.
Dunham
,
S.
Karkare
,
Y.
Li
,
X.
Liu
,
J.
Maxson
, and
W.
Roussel
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
224101
(
2011
).
18.
Pulsar website for gpt, http://www.pulsar.nl/gpt/ (
2011
).
19.
I. V.
Bazarov
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
15
,
050703
(
2012
).
20.
I. V.
Bazarov
,
B. M.
Dunham
, and
C. K.
Sinclair
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
104801
(
2009
).
21.
I. V.
Bazarov
,
B. M.
Dunham
,
Y.
Li
,
X.
Liu
,
D. G.
Ouzounov
,
C. K.
Sinclair
,
F.
Hannon
, and
T.
Miyajima
,
J. Appl. Phys.
103
,
054901
(
2008
).
22.
I. V.
Bazarov
,
B. M.
Dunham
,
X.
Liu
,
M.
Virgo
,
A. M.
Dabiran
,
F.
Hannon
, and
H.
Sayed
,
J. Appl. Phys.
105
,
083715
(
2009
).
23.
F.
Zhou
,
A.
Brachmann
,
P.
Emma
,
S.
Gilevich
, and
Z.
Huang
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
15
,
090701
(
2012
).
24.
J. M.
Maxson
,
A. C.
Bartnik
, and
I. V.
Bazarov
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
171109
(
2014
).
25.
J.
Maxson
,
H.
Lee
,
A.
Bartnik
,
J.
Kiefer
, and
I.
Bazarov
,
Phys. Rev. ST Accel. Beams
18
,
023401
(
2015
).
You do not currently have access to this content.