Plasma wakefield acceleration, either driven by ultra-short laser pulses or electron bunches, represents one of the most promising techniques able to overcome the limits of conventional RF technology and allows the development of compact accelerators. In the particle beam-driven scenario, ultra-short bunches with tiny spot sizes are required to enhance the accelerating gradient and preserve the emittance and energy spread of the accelerated bunch. To achieve such tight transverse beam sizes, a focusing system with short focal length is mandatory. Here we discuss the development of a compact and tunable system consisting of three small-bore permanent-magnet quadrupoles with 520 T/m field gradient. The device has been designed in view of the plasma acceleration experiments planned at the SPARC_LAB test-facility. Being the field gradient fixed, the focusing is adjusted by tuning the relative position of the three magnets with nanometer resolution. Details about its magnetic design, beam-dynamics simulations, and preliminary results are examined in the paper.

1.
R. W.
Schoenlein
,
W.
Leemans
,
A.
Chin
, and
P.
Volfbeyn
,
Science
274
,
236
(
1996
).
2.
V.
Petrillo
,
A.
Bacci
,
C.
Curatolo
,
I.
Drebot
,
A.
Giribono
,
C.
Maroli
,
A.
Rossi
,
L.
Serafini
,
P.
Tomassini
,
C.
Vaccarezza
 et al,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
18
,
110701
(
2015
).
3.
C.
Vaccarezza
,
D.
Alesini
,
M.
Anania
,
A.
Bacci
,
A.
Biagioni
,
F.
Bisesto
,
M.
Bellaveglia
,
P.
Cardarelli
,
F.
Cardelli
,
A.
Cianchi
 et al,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
829
,
237
(
2016
).
4.
R.
Li
and
P.
Musumeci
,
Phys. Rev. Appl.
2
,
024003
(
2014
).
5.
T.
Tajima
and
J. M.
Dawson
,
Phys. Rev. Lett.
43
,
267
(
1979
).
6.
W.
Lu
,
C.
Huang
,
M.
Zhou
,
W.
Mori
, and
T.
Katsouleas
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
165002
(
2006
).
7.
X.
Wu
,
J.
Shi
,
H.
Chen
,
J.
Shao
,
T.
Abe
,
T.
Higo
,
S.
Matsumoto
, and
W.
Wuensch
,
Phys. Rev. Accel. Beams
20
,
052001
(
2017
).
8.
L.
Evans
and
P.
Bryant
,
J. Instrum.
3
,
S08001
(
2008
).
9.
K.
Oide
,
M.
Aiba
,
S.
Aumon
,
M.
Benedikt
,
A.
Blondel
,
A.
Bogomyagkov
,
M.
Boscolo
,
H.
Burkhardt
,
Y.
Cai
,
A.
Doblhammer
 et al,
Phys. Rev. Accel. Beams
19
,
111005
(
2016
).
10.
P. A.
Walker
,
P.
Alesini
,
A.
Alexandrova
,
M. P.
Anania
,
N.
Andreev
,
I.
Andriyash
,
A.
Aschikhin
,
R.
Assmann
,
T.
Audet
,
A.
Bacci
, et al,
J. Phys.: Conf. Ser.
874
,
012029
(
2017
).
11.
B.
O’Shea
,
G.
Andonian
,
S.
Barber
,
K.
Fitzmorris
,
S.
Hakimi
,
J.
Harrison
,
P.
Hoang
,
M.
Hogan
,
B.
Naranjo
,
O.
Williams
 et al,
Nat. Commun.
7
,
12763
(
2016
).
12.
C.
Geddes
,
C.
Toth
,
J.
Van Tilborg
,
E.
Esarey
 et al,
Nature
431
,
538
(
2004
).
13.
W.
Leemans
,
B.
Nagler
,
A.
Gonsalves
,
C.
Tóth
,
K.
Nakamura
,
C.
Geddes
,
E.
Esarey
,
C.
Schroeder
, and
S.
Hooker
,
Nat. Phys.
2
,
696
(
2006
).
14.
J.
Faure
,
C.
Rechatin
,
A.
Norlin
,
A.
Lifschitz
,
Y.
Glinec
, and
V.
Malka
,
Nature
444
,
737
(
2006
).
15.
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
).
16.
E.
Kallos
,
T.
Katsouleas
,
W. D.
Kimura
,
K.
Kusche
,
P.
Muggli
,
I.
Pavlishin
,
I.
Pogorelsky
,
D.
Stolyarov
, and
V.
Yakimenko
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
074802
(
2008
).
17.
I.
Blumenfeld
,
C.
Clayton
, and
F.
Decker
,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
13
,
111301
(
2010
).
18.
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
).
19.
W.
Lu
,
C.
Huang
,
M.
Zhou
,
W.
Mori
, and
T.
Katsouleas
,
Phys. Plasmas
12
,
063101
(
2005
).
20.
W.
Lu
,
W.
An
,
C.
Huang
,
C.
Joshi
,
W. B.
Mori
,
M.
Hogan
,
T.
Raubenheimer
,
A.
Seryi
,
P.
Muggli
, and
T.
Katsouleas
,
Bull. Am. Phys. Soc.
54
,
3028
(
2009
), available at http://meetings.aps.org/link/BAPS.2009.DPP.GO6.13.
21.
E.
Esarey
,
P.
Sprangle
,
J.
Krall
, and
A.
Ting
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
24
,
252
(
1996
).
22.
E.
Esarey
,
C. B.
Schroeder
, and
W. P.
Leemans
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1229
(
2009
).
23.
J.
Rosenzweig
,
N.
Barov
,
M.
Thompson
, and
R.
Yoder
,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
7
,
061302
(
2004
).
24.
J.
Rosenzweig
,
G.
Andonian
,
M.
Ferrario
,
P.
Muggli
,
O.
Williams
,
V.
Yakimenko
, and
K.
Xuan
,
AIP Conf. Proc.
1299
,
500
504
(
2010
).
25.
R.
Pompili
,
M.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
F.
Bisesto
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
M.
Croia
,
A.
Curcio
,
D.
Di Giovenale
 et al,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
829
,
17
(
2016
).
26.
N.
Barov
and
J. B.
Rosenzweig
,
Phys. Rev. E
49
,
4407
(
1994
).
27.
S.
Becker
,
M.
Bussmann
,
S.
Raith
,
M.
Fuchs
,
R.
Weingartner
,
P.
Kunz
,
W.
Lauth
,
U.
Schramm
,
M.
El Ghazaly
,
F.
Grüner
 et al,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
12
,
102801
(
2009
).
28.
K.
Nichols
,
B.
Carlsten
, and
E.
Schamiloglu
,
IEEE Trans. Electron Devices
61
,
1865
(
2014
).
29.
J.
Van Tilborg
,
S.
Steinke
,
C.
Geddes
,
N.
Matlis
,
B.
Shaw
,
A.
Gonsalves
,
J.
Huijts
,
K.
Nakamura
,
J.
Daniels
,
C.
Schroeder
 et al,
Phys. Rev. Lett.
115
,
184802
(
2015
).
30.
R.
Pompili
,
M.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
S.
Bini
,
F.
Bisesto
,
E.
Brentegani
,
G.
Castorina
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
 et al,
Appl. Phys. Lett.
110
,
104101
(
2017
).
31.
A.
Marocchino
,
M. P.
Anania
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
S.
Bini
,
F.
Bisesto
,
E.
Brentegani
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
M.
Croia
,
D. D.
Giovenale
,
M.
Ferrario
,
F.
Filippi
,
A.
Giribono
,
V.
Lollo
,
M.
Marongiu
,
A.
Mostacci
,
G. D.
Pirro
,
R.
Pompili
,
S.
Romeo
,
A. R.
Rossi
,
J.
Scifo
,
V.
Shpakov
,
C.
Vaccarezza
,
F.
Villa
, and
A.
Zigler
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
184101
(
2017
).
32.
J.
Lim
,
P.
Frigola
,
G.
Travish
,
J.
Rosenzweig
,
S.
Anderson
,
W.
Brown
,
J.
Jacob
,
C.
Robbins
, and
A.
Tremaine
,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
8
,
072401
(
2005
).
33.
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
).
34.
A.
Cianchi
,
D.
Alesini
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
R.
Boni
,
M.
Boscolo
,
M.
Castellano
,
L.
Catani
,
E.
Chiadroni
,
S.
Cialdi
 et al,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
11
,
032801
(
2008
).
35.
E.
Chiadroni
,
D.
Alesini
,
M.
Anania
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
A.
Biagioni
,
F.
Bisesto
,
F.
Cardelli
,
G.
Castorina
,
A.
Cianchi
 et al,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
865
,
139
(
2017
).
36.
F.
Villa
,
S.
Cialdi
,
M.
Anania
,
G.
Gatti
,
F.
Giorgianni
, and
R.
Pompili
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
740
,
188
(
2014
).
37.
M.
Ferrario
,
D.
Alesini
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
R.
Boni
,
M.
Boscolo
,
P.
Calvani
,
M.
Castellano
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
L.
Cultrera
,
G.
di Pirro
,
L.
Ficcadenti
,
D.
Filippetto
,
A.
Gallo
,
G.
Gatti
,
L.
Giannessi
,
M.
Labat
,
S.
Lupi
,
B.
Marchetti
,
C.
Marrelli
,
M.
Migliorati
,
A.
Mostacci
,
D.
Nicoletti
,
E.
Pace
,
L.
Palumbo
,
V.
Petrillo
,
M.
Quattromini
,
C.
Ronsivalle
,
A. R.
Rossi
,
J.
Rosenzweig
,
L.
Serafini
,
M.
Serluca
,
B.
Spataro
,
H.
Tomizawa
,
C.
Vaccarezza
, and
C.
Vicario
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
637
,
S43
(
2011
).
38.
E.
Chiadroni
,
M.
Bellaveglia
,
P.
Calvani
,
M.
Castellano
,
L.
Catani
,
A.
Cianchi
,
G. D.
Pirro
,
M.
Ferrario
,
G.
Gatti
,
O.
Limaj
,
S.
Lupi
,
B.
Marchetti
,
A.
Mostacci
,
E.
Pace
,
L.
Palumbo
,
C.
Ronsivalle
,
R.
Pompili
, and
C.
Vaccarezza
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
022703
(
2013
).
39.
C.
Ronsivalle
,
M.
Anania
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
F.
Ciocci
,
G.
Dattoli
,
D.
Di Giovenale
,
G.
Di Pirro
 et al,
New J. Phys.
16
,
033018
(
2014
).
40.
K.
Halbach
,
Nucl. Instrum. Methods
169
,
1
(
1980
).
41.
P.
Elleaume
,
O.
Chubar
, and
J.
Chavanne
, in
Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 1997
(
IEEE
,
1997
), Vol. 3, pp.
3509
3511
.
42.
B.
Ma
,
Y.
Liang
,
J.
Patel
,
D.
Scott
, and
C.
Bounds
,
IEEE Trans. Magn.
32
,
4377
(
1996
).
43.
See http://www.kyma-undulators.eu/ for “KYMA s.r.l.”
44.
C. M.
Spencer
,
S. D.
Anderson
,
D. R.
Jensen
, and
Z. R.
Wolf
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
16
,
1334
(
2006
).
45.
F.
Ambrosini
, in
Proceedings of IPAC2014
,
Dresden, Germany
, p.
1250
, available at http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/IPAC2014/papers/thpme016.pdf.
46.
See https://www.physikinstrumente.com for “Physik Instrumente (PI) GmbH.”
47.
U.
Iriso
,
G.
Benedetti
, and
F.
Pérez
,
SAT
5
,
15
(
2009
).
48.
A.
Notargiacomo
,
V.
Foglietti
,
E.
Cianci
,
G.
Capellini
,
M.
Adami
,
P.
Faraci
,
F.
Evangelisti
, and
C.
Nicolini
,
Nanotechnology
10
,
458
(
1999
).
49.
M.
De Loos
and
S.
Van der Geer
, in
5th European Particle Accelerator Conference
,
1996
, p.
1241
, available at http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/e96/PAPERS/THPG/THP001G.PDF.
50.
B.
Muratori
,
J.
Jones
, and
A.
Wolski
,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
18
,
064001
(
2015
).
51.
L.
Serafini
and
M.
Ferrario
,
AIP Conf. Proc.
581
,
87
106
(
2001
).
52.
M.
Ferrario
,
D.
Alesini
,
A.
Bacci
,
M.
Bellaveglia
,
R.
Boni
,
M.
Boscolo
,
M.
Castellano
,
E.
Chiadroni
,
A.
Cianchi
,
L.
Cultrera
 et al,
Phys. Rev. Lett.
104
,
054801
(
2010
).
53.
H.
Grote
and
F.
Schmidt
, in
Proceedings of the Particle Accelerator Conference, 2003
(
IEEE
,
2003
), Vol. 5, pp.
3497
3499
.
54.
M.
Migliorati
,
A.
Bacci
,
C.
Benedetti
,
E.
Chiadroni
,
M.
Ferrario
,
A.
Mostacci
,
L.
Palumbo
,
A.
Rossi
,
L.
Serafini
, and
P.
Antici
,
Phys. Rev. Spec. Top.–Accel. Beams
16
,
011302
(
2013
).
55.
A.
Marocchino
,
F.
Massimo
,
A.
Rossi
,
E.
Chiadroni
, and
M.
Ferrario
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
829
,
386
(
2016
).
You do not currently have access to this content.