In the last decade, laser-plasma acceleration of high-energy electrons has attracted strong attention in different fields. Electrons with maximum energies in the GeV range can be laser-accelerated within a few cm using multi-hundreds terawatt (TW) lasers, yielding to very high beam currents at the source (electron bunches with up to tens-hundreds of pC in a few fs). While initially the challenge was to increase the maximum achievable electron energy, today strong effort is put in the control and usability of these laser-generated beams that still lack of some features in order to be used for applications where currently conventional, radio-frequency (RF) based, electron beam lines represent the most common and efficient solution. Several improvements have been suggested for this purpose, some of them acting directly on the plasma source, some using beam shaping tools located downstream. Concerning the latter, several studies have suggested the use of conventional accelerator magnetic devices (such as quadrupoles and solenoids) as an easy implementable solution when the laser-plasma accelerated beam requires optimization. In this paper, we report on a parametric study related to the transport of electron beams accelerated by laser-plasma interaction, using conventional accelerator elements and tools. We focus on both, high energy electron beams in the GeV range, as produced on petawatt (PW) class laser systems, and on lower energy electron beams in the hundreds of MeV range, as nowadays routinely obtained on commercially available multi-hundred TW laser systems. For both scenarios, our study allows understanding what are the crucial parameters that enable laser-plasma accelerators to compete with conventional ones and allow for a beam transport. We show that suitable working points require a tradeoff-combination between low beam divergence and narrow energy spread.

1.
S. P. D.
Mangles
,
C. D.
Murphy
,
Z.
Najmudin
,
A. G. R.
Thomas
,
J. L.
Collier
,
A. E.
Dangor
,
E. J.
Divall
,
P. S.
Foster
,
J. G.
Gallacher
,
C. J.
Hooker
,
D. A.
Jaroszynski
,
A. J.
Langley
,
W. B.
Mori
,
P. A.
Norreys
,
F. S.
Tsung
,
R.
Viskup
,
B. R.
Walton
, and
K.
Krushelnick
,
Nature
431
,
535
538
(
2004
).
2.
C. G. R.
Geddes
,
Cs.
Toth
,
J.
van Tilborg
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
,
D.
Bruhwiler
,
C.
Nieter
,
J.
Cary
, and
W. P.
Leemans
,
Nature
431
,
538
541
(
2004
).
3.
J.
Faure
,
Y.
Glinec
,
A.
Pukhov
,
S.
Kiselev
,
S.
Gordienko
,
E.
Lefebvre
,
J.-P.
Rousseau
,
F.
Burgy
, and
V.
Malka
,
Nature
431
,
541
544
(
2004
).
4.
J.
Faure
,
C.
Rechatin
,
A.
Norlin
,
A.
Lifschitz
,
Y.
Glinec
, and
V.
Malka
,
Nature
444
,
737
739
(
2006
).
5.
W. P.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A. J.
Gonsalves
,
Cs.
Tòth
,
K.
Nakamura
,
C. G. R.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
S. M.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
699
(
2006
).
6.
W. P.
Leemans
,
A. J.
Gonsalves
,
H. S.
Mao
,
K.
Nakamura
,
C.
Benedetti
,
C. B.
Schroeder
,
C.
Tóth
,
J.
Daniels
,
D. E.
Mittelberger
,
S. S.
Bulanov
,
J. L.
Vay
,
C. G. R.
Geddes
, and
E.
Esarey
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
245002
(
2014
).
7.
E.
Allaria
,
C.
Callegari
,
D.
Cocco
,
W. M.
Fawley
,
M.
Kiskinova
,
C.
Masciovecchio
, and
F.
Parmigiani
,
New J. Phys.
12
,
075002
(
2010
).
8.
SwissFEL Conceptual Design Report, PSI Bericht Nr. 10-04 (
2010
).
9.
D.
Einfeld
,
S. S.
Hasnain
,
Z.
Sayers
,
H.
Schopper
, and
H.
Winick
,
Radiat. Phys. Chem.
71
,
693
700
(
2004
).
10.
P.
Antici
,
A.
Bacci
,
C.
Benedetti
,
E.
Chiadroni
,
M.
Ferrario
,
A. R.
Rossi
,
L.
Lancia
,
M.
Migliorati
,
A.
Mostacci
,
L.
Palumbo
, and
L.
Serafini
,
J. Appl. Phys.
112
,
044902
(
2012
).
11.
M.
Migliorati
,
A.
Bacci
,
C.
Benedetti
,
E.
Chiadroni
,
M.
Ferrario
,
A.
Mostacci
,
L.
Palumbo
,
A. R.
Rossi
,
L.
Serafini
, and
P.
Antici
,
Phys. Rev. Spec. Top. - Accel. Beams
16
,
011302
(
2013
).
12.
F.
Gruener
,
S.
Becker
,
U.
Schramm
,
T.
Eichner
,
M.
Fuchs
,
R.
Weingartner
,
D.
Habs
,
J.
Meyer-Ter-Vehn
,
M.
Geissler
,
M.
Ferrario
,
L.
Serafini
,
B.
Van Der Geer
,
H.
Backe
,
W.
Lauth
, and
S.
Reiche
,
Appl. Phys. B
86
,
431
435
(
2007
).
13.
B. B.
Pollock
,
C. E.
Clayton
,
J. E.
Ralph
,
F.
Albert
,
A.
Davidson
,
L.
Divol
,
C.
Filip
,
S. H.
Glenzer
,
K.
Herpoldt
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
J.
Meinecke
,
W. B.
Mori
,
A.
Pak
,
T. C.
Rensink
,
J. S.
Ross
,
J.
Shaw
,
G. R.
Tynan
,
C.
Joshi
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
045001
(
2011
).
14.
N. V.
Zamfir
,
Eur. Phys. J.: Spec. Top.
223
,
1221
1227
(
2014
).
15.
S.
Fourmaux
,
K.
Ta Phuoc
,
P.
Lassonde
,
S.
Corde
,
G.
Lebrun
,
V.
Malka
,
A.
Rousse
, and
J. C.
Kieffer
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
111106
(
2012
).
16.
M. Z.
Mo
,
A.
Ali
,
S.
Fourmaux
,
P.
Lassonde
, and
J. C.
Kieffer
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
074101
(
2012
).
17.
C. E.
Clayton
,
J. E.
Ralph
,
F.
Albert
,
R. A.
Fonseca
,
S. H.
Glenzer
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
S. F.
Martins
,
W. B.
Mori
,
A.
Pak
,
F. S.
Tsung
,
B. B.
Pollock
,
J. S.
Ross
,
L. O.
Silva
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
105003
(
2010
).
18.
D. H.
Froula
,
C. E.
Clayton
,
T.
Doeppner
,
K. A.
Marsh
,
C. P. J.
Barty
,
L.
Divol
,
R. A.
Fonseca
,
S. H.
Glenzer
,
C.
Joshi
,
W.
Lu
,
S. F.
Martins
,
P.
Michel
,
W. B.
Mori
,
J. P.
Palastro
,
B. B.
Pollock
,
A.
Pak
,
J. E.
Ralph
,
J. S.
Ross
,
C. W.
Siders
,
L. O.
Silva
, and
T.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
215006
(
2009
).
19.
K. R.
Crandall
and
D. P.
Rusthoi
,
Los Alamos National Laboratory Report LA-UR-97-886
(
1997
).
20.
L. M.
Young
,
Los Alamos National Laboratory Report LA-UR-96-1835
(
1996
).
21.
K.
Floettmann
,
Phys. Rev. Spec. Top. - Accel. Beams
6
,
034202
(
2003
).
22.
T.
Eichner
,
F.
Grüner
,
S.
Becker
,
M.
Fuchs
,
D.
Habs
,
R.
Weingartner
,
U.
Schramm
,
H.
Backe
,
P.
Kunz
, and
W.
Lauth
,
Phys. Rev. Spec. Top. - Accel. Beams
10
,
082401
(
2007
).
23.
S. A.
Kahn
,
M.
Turenne
,
R. P.
Johnson
,
F.
Hunte
, and
J.
Schwartz
, in
Proceedings of PAC09, Vancouver
(
2009
), pp.
295
297
.
24.
Deliverable report of the WP6-CRISP-FP7 Project, Contract No. 283745, as private communication with L. Silva and coworkers (
2014
).
25.
S.
Kneip
,
S. R.
Nagel
,
S. F.
Martins
,
S. P. D.
Mangles
,
C.
Bellei
,
O.
Chekhlov
,
R. J.
Clarke
,
N.
Delerue
,
E. J.
Divall
,
G.
Doucas
,
K.
Ertel
,
F.
Fiuza
,
R.
Fonseca
,
P.
Foster
,
S. J.
Hawkes
,
C. J.
Hooker
,
K.
Krushelnick
,
W. B.
Mori
,
C. A. J.
Palmer
,
K.
Ta Phuoc
,
P. P.
Rajeev
,
J.
Schreiber
,
M. J. V.
Streeter
,
D.
Urner
,
J.
Vieira
,
L. O.
Silva
, and
Z.
Najmudin
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
035002
(
2009
).
26.
C. B.
Schroeder
,
E.
Esarey
,
C. G. R.
Geddes
,
C.
Benedetti
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Spec. Top. - Accel. Beams
13
,
101301
(
2010
).
27.
S.
Di Mitri
and
M.
Cornacchia
,
Phys. Rep.
539
,
1
48
(
2014
).
28.
D.
Alesini
,
S.
Bertolucci
,
M. E.
Biagini
,
C.
Biscari
,
R.
Boni
,
M.
Boscolo
,
M.
Castellano
,
A.
Clozza
,
G.
Di Pirro
,
A.
Drago
,
A.
Esposito
,
M.
Ferrario
,
V.
Fusco
,
A.
Gallo
,
A.
Ghigo
,
S.
Guiducci
,
M.
Incurvati
,
P.
Laurelli
,
C.
Ligi
,
F.
Marcellini
,
M.
Migliorati
,
C.
Milardi
,
L.
Palumbo
,
L.
Pellegrino
,
M.
Preger
,
P.
Raimondi
,
R.
Ricci
,
C.
Sanelli
,
F.
Sgamma
,
B.
Spataro
,
M.
Serio
,
A.
Stecchi
,
A.
Stella
,
F.
Tazzioli
,
C.
Vaccarezza
,
M.
Vescovi
,
C.
Vicario
,
M.
Zobov
,
E.
Acerbi
,
F.
Alessandria
,
D.
Barni
,
G.
Bellomo
,
I.
Boscolo
,
F.
Broggi
,
S.
Cialdi
,
C.
DeMartinis
,
D.
Giove
,
C.
Maroli
,
V.
Petrillo
,
M.
Romè
,
L.
Serafini
,
E.
Chiadroni
,
G.
Felici
,
D.
Levi
,
M.
Mastrucci
,
M.
Mattioli
,
G.
Medici
,
G. S.
Petrarca
,
L.
Catanie
,
A.
Cianchi
,
A.
D'Angelo
,
R.
Di Salvo
,
A.
Fantini
,
D.
Moricciani
,
C.
Schaerf
,
R.
Bartolini
,
F.
Ciocci
,
G.
Dattoli
,
A.
Doria
,
F.
Flora
,
G. P.
Gallerano
,
L.
Giannessi
,
E.
Giovenale
,
G.
Messina
,
L.
Mezi
,
P. L.
Ottaviani
,
L.
Picardi
,
M.
Quattromini
,
A.
Renieri
,
C.
Ronsivalle
,
L.
Avaldi
,
C.
Carbone
,
A.
Cricenti
,
A.
Pifferi
,
P.
Perfetti
,
T.
Prosperi
,
V.
Rossi Albertini
,
C.
Quaresima
, and
N.
Zema
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
507
,
345
349
(
2003
).
29.
L.
Giannessi
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
F.
Briquez
,
M.
Castellano
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
F.
Ciocci
,
M. E.
Couprie
,
L.
Cultrera
,
G.
Dattoli
,
D.
Filippetto
,
M.
Del Franco
,
G.
Di Pirro
,
M.
Ferrario
,
L.
Ficcadenti
,
F.
Frassetto
,
A.
Gallo
,
G.
Gatti
,
M.
Labat
,
G.
Marcus
,
M.
Moreno
,
A.
Mostacci
,
E.
Pace
,
A.
Petralia
,
V.
Petrillo
,
L.
Poletto
,
M.
Quattromini
,
J. V.
Rau
,
C.
Ronsivalle
,
J.
Rosenzweig
,
A. R.
Rossi
,
V.
Rossi Albertini
,
E.
Sabia
,
M.
Serluca
,
S.
Spampinati
,
I.
Spassovsky
,
B.
Spataro
,
V.
Surrenti
,
C.
Vaccarezza
, and
C.
Vicario
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
144801
(
2011
).
30.
H.
Grote
and
F.
Schmid
, in
Proceedings of PAC03, Portland
(
2003
), pp.
3497
3499
.
31.
A.
Chancé
,
O.
Delferrière
,
J.
Schwindling
,
C.
Bruni
,
N.
Delerue
,
A.
Specka
,
B.
Cros
,
G.
Maynard
,
B. S.
Paradkar
, and
P.
Mora
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
740
,
158
164
(
2014
).
You do not currently have access to this content.