Plasma-based acceleration is one of the most promising technologies for the development of compact accelerators providing high-quality beams for research, medical, and industrial applications. The interaction with the plasma, however, can produce detrimental effects on the particle beam, such as the hose-instability, and ultimately limit its implementation. Several methods have been proposed to suppress such a process, for instance, by triggering and bringing to saturation the self-modulation instability. In the framework of plasma acceleration, we present, for the first time, the experimental observation of the transition from hose to self-modulation instability regimes. The measurements are obtained by using an ultra-relativistic electron beam interacting with the plasma confined in a capillary. The results provide a more comprehensive picture of the beam–plasma interaction and are validated with complete particle-in-cell simulations.

1.
I.
Blumenfeld
,
C. E.
Clayton
,
F.-J.
Decker
,
M. J.
Hogan
,
C.
Huang
,
R.
Ischebeck
,
R.
Iverson
,
C.
Joshi
,
T.
Katsouleas
,
N.
Kirby
,
W.
Lu
,
K. A.
Marsh
,
W. B.
Mori
,
P.
Muggli
,
E.
Oz
,
R. H.
Siemann
,
D.
Walz
, and
M.
Zhou
,
Nature
445
,
741
(
2007
).
2.
W.
Leemans
,
A.
Gonsalves
,
H.-S.
Mao
,
K.
Nakamura
,
C.
Benedetti
,
C.
Schroeder
,
C.
Tóth
,
J.
Daniels
,
D.
Mittelberger
,
S.
Bulanov
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
113
,
245002
(
2014
).
3.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
4.
J.
Faure
,
C.
Rechatin
,
A.
Norlin
,
A.
Lifschitz
,
Y.
Glinec
, and
V.
Malka
,
Nature
444
,
737
(
2006
).
5.
S.
Steinke
,
J.
Van Tilborg
,
C.
Benedetti
,
C.
Geddes
,
C.
Schroeder
,
J.
Daniels
,
K.
Swanson
,
A.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
N.
Matlis
 et al.,
Nature
530
,
190
(
2016
).
6.
P.
Chen
,
J.
Dawson
,
R. W.
Huff
, and
T.
Katsouleas
,
Phys. Rev. Lett.
54
,
693
(
1985
).
7.
M.
Litos
,
E.
Adli
,
W.
An
,
C.
Clarke
,
C.
Clayton
,
S.
Corde
,
J.
Delahaye
,
R.
England
,
A.
Fisher
,
J.
Frederico
 et al.,
Nature
515
,
92
(
2014
).
8.
M.
Dal Forno
,
V.
Dolgashev
,
G.
Bowden
,
C.
Clarke
,
M.
Hogan
,
D.
McCormick
,
A.
Novokhatski
,
B.
O'Shea
,
B.
Spataro
,
S.
Weathersby
, and
S. G.
Tantawi
,
Phys. Rev. Accel. Beams
19
,
111301
(
2016
).
9.
A.
Modena
,
Z.
Najmudin
,
A.
Dangor
,
C.
Clayton
,
K.
Marsh
,
C.
Joshi
,
V.
Malka
,
C.
Darrow
,
C.
Danson
,
D.
Neely
 et al.,
Nature
377
,
606
(
1995
).
10.
A.
Gonsalves
,
K.
Nakamura
,
J.
Daniels
,
C.
Benedetti
,
C.
Pieronek
,
T.
De Raadt
,
S.
Steinke
,
J.
Bin
,
S.
Bulanov
,
J.
Van Tilborg
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
122
,
084801
(
2019
).
11.
S. P.
Mangles
,
C.
Murphy
,
Z.
Najmudin
,
A. G. R.
Thomas
,
J.
Collier
,
A. E.
Dangor
,
E.
Divall
,
P.
Foster
,
J.
Gallacher
,
C.
Hooker
 et al.,
Nature
431
,
535
(
2004
).
12.
A.
Deng
,
O.
Karger
,
T.
Heinemann
,
A.
Knetsch
,
P.
Scherkl
,
G.
Manahan
,
A.
Beaton
,
D.
Ullmann
,
G.
Wittig
,
A.
Habib
 et al.,
Nat. Phys.
15
,
1156
(
2019
).
13.
R.
Pompili
,
D.
Alesini
,
M.
Anania
,
M.
Behtouei
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
F.
Bisesto
,
M.
Cesarini
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
 et al.,
Nat. Phys.
17
,
499
(
2021
).
14.
R.
Assmann
,
M.
Weikum
,
T.
Akhter
,
D.
Alesini
,
A.
Alexandrova
,
M.
Anania
,
N.
Andreev
,
I.
Andriyash
,
M.
Artioli
,
A.
Aschikhin
 et al.,
Eur. Phys. J. Spec. Top.
229
,
3675
(
2020
).
15.
D. H.
Whittum
,
W. M.
Sharp
,
S. Y.
Simon
,
M.
Lampe
, and
G.
Joyce
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
991
(
1991
).
16.
C.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
,
F.
Grüner
, and
W.
Leemans
,
Phys. Rev. E
86
,
026402
(
2012
).
17.
C.
Huang
,
W.
Lu
,
M.
Zhou
,
C.
Clayton
,
C.
Joshi
,
W.
Mori
,
P.
Muggli
,
S.
Deng
,
E.
Oz
,
T.
Katsouleas
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
99
,
255001
(
2007
).
18.
J.
Vieira
,
W.
Mori
, and
P.
Muggli
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
205001
(
2014
).
19.
T. J.
Mehrling
,
R.
Fonseca
,
A. M.
de la Ossa
, and
J.
Vieira
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
174801
(
2017
).
20.
M.
Turner
,
E.
Adli
,
A.
Ahuja
,
O.
Apsimon
,
R.
Apsimon
,
A.-M.
Bachmann
,
M. B.
Marin
,
D.
Barrientos
,
F.
Batsch
,
J.
Batkiewicz
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
122
,
054801
(
2019
).
21.
J.
Vieira
,
Y.
Fang
,
W.
Mori
,
L.
Silva
, and
P.
Muggli
,
Phys. Plasmas
19
,
063105
(
2012
).
22.
T.
Katsouleas
,
C.
Joshi
,
J. M.
Dawson
,
F. F.
Chen
,
C.
Clayton
,
W. B.
Mori
,
C.
Darrow
, and
D.
Umstadter
,
AIP Conf. Proc.
130
,
63
98
(
1985
).
23.
W.
Lu
,
C.
Huang
,
M.
Zhou
,
W.
Mori
, and
T.
Katsouleas
,
Phys. Plasmas
12
,
063101
(
2005
).
24.
C.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
,
F.
Grüner
, and
W.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
145002
(
2011
).
25.
A.
Pukhov
,
N.
Kumar
,
T.
Tückmantel
,
A.
Upadhyay
,
K.
Lotov
,
P.
Muggli
,
V.
Khudik
,
C.
Siemon
, and
G.
Shvets
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
145003
(
2011
).
26.
R.
Lehe
,
C. B.
Schroeder
,
J.-L.
Vay
,
E.
Esarey
, and
W. P.
Leemans
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
244801
(
2017
).
27.
R.
Pompili
,
M.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
S.
Bini
,
F.
Bisesto
,
E.
Brentegani
,
F.
Cardelli
,
G.
Castorina
,
E.
Chiadroni
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
121
,
174801
(
2018
).
28.
M.
Ferrario
,
D.
Alesini
,
M.
Anania
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
O.
Bogdanov
,
R.
Boni
,
M.
Castellano
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
 et al.,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B
309
,
183
(
2013
).
29.
R.
Pompili
,
M.
Anania
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
M.
Ferrario
,
V.
Lollo
,
A.
Notargiacomo
,
L.
Picardi
,
C.
Ronsivalle
,
J.
Rosenzweig
 et al.,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
033302
(
2018
).
30.
M.
Anania
,
A.
Biagioni
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
M.
Croia
,
A.
Curcio
,
D.
Di Giovenale
,
G. D.
Pirro
,
F.
Filippi
,
A.
Ghigo
 et al.,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
829
,
254
(
2016
).
31.
A.
Biagioni
,
M.
Anania
,
S.
Arjmand
,
E.
Behar
,
G.
Costa
,
A.
Del Dotto
,
M.
Ferrario
,
M.
Galletti
,
V.
Lollo
,
D.
Pellegrini
 et al.,
Plasma Phys. Controlled Fusion
63
,
115013
(
2021
).
32.
D.
Alesini
,
G. D.
Pirro
,
L.
Ficcadenti
,
A.
Mostacci
,
L.
Palumbo
,
J.
Rosenzweig
, and
C.
Vaccarezza
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
568
,
488
(
2006
).
33.
A.
Biagioni
,
D.
Alesini
,
M.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
S.
Bini
,
F.
Bisesto
,
E.
Brentegani
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
O.
Coiro
 et al.,
J. Instrum.
14
,
C03002
(
2019
).
34.
E.
Prat
,
F.
Löhl
, and
S.
Reiche
,
Phys. Rev. Spec. Top.-Accel. Beams
18
,
100701
(
2015
).
35.
V.
Shpakov
,
M.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
F.
Bisesto
,
F.
Cardelli
,
M.
Cesarini
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
G.
Costa
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
122
,
114801
(
2019
).
36.
A.
Curcio
,
F.
Bisesto
,
G.
Costa
,
A.
Biagioni
,
M.
Anania
,
R.
Pompili
,
M.
Ferrario
, and
M.
Petrarca
,
Phys. Rev. E
100
,
053202
(
2019
).
37.
C.
Schroeder
,
C.
Benedetti
,
E.
Esarey
,
F.
Grüner
, and
W.
Leemans
,
Phys. Plasmas
20
,
056704
(
2013
).
38.
R.
Lehe
,
M.
Kirchen
,
I. A.
Andriyash
,
B. B.
Godfrey
, and
J.-L.
Vay
,
Comput. Phys. Commun.
203
,
66
(
2016
).
39.
C. S.
Adorf
,
P. M.
Dodd
,
V.
Ramasubramani
, and
S. C.
Glotzer
,
Comput. Mater. Sci.
146
,
220
(
2018
).
40.
V.
Ramasubramani
,
C.
Adorf
,
P.
Dodd
,
B.
Dice
, and
S.
Glotzer
, in
Proceedings of the Python in Science Conference
(
2018
).
41.
C. S.
Adorf
,
V.
Ramasubramani
,
B. D.
Dice
,
M. M.
Henry
,
P. M.
Dodd
, and
S. C.
Glotzer
(
2019
). “Glotzerlab/signac,”
Zenodo
, Dataset
42.
M.
De Loos
and
S.
Van der Geer
, in
5th European Particle Accelerator Conference
(
World Scientific
,
1996
), p.
1241
.
You do not currently have access to this content.