TERASPARC Extraction and use of THz coherent radiation from the SPARC Free Elecron Laser for beam diagnostic, technological applications, and experiments Responsabile nazionale: S. Lupi (Roma La Sapienza) Durata Progetto: Area: Acceleratori Sezioni proponenti: Roma La Sapienza (S. Lupi, O. Limaj, M. Mattioli, M. Serluca), LNF (P. Calvani, M Boscolo, M. Castellano, M. Cestelli Guidi, E. Chiadroni, G. Di Pirro, M. Ferrario, D. Nicoletti, A. Nucara, L. Palumbo, R. Sorchetti, C. Vaccarezza) Roma Tor Vergata (L. Catani, A. Cianchi, B. Marchetti) Torino Politecnico (G. Ghigo, M. Gerbaldo, G. Gozzelino)

Total FTE: 9.30 Total Researchers: Manpower 2012 : 1.68 % of the CSN 5 (Including Technologists) Budget 2012 : 1.77 % of the CSN 5 experiments total budget

Other Partecipants Department of Physics, University of Rome La Sapienza; Elettra-Sincrotrone Trieste; CNR-ISM (Istituto Struttura della Materia), Roma;

Fondi INFN ( ) Totale 163 Keuro Ripartizione Missioni (Naz+Int) 26 Keuro Consumo 37.5 Keuro Manutenzione, Apparati e Inventario 99.5 Keuro

Fondi Esterni Acquisiti Roma La Sapienza: 30 Keuro (Criostato He); CNR: 12 Keuro (Sorgente monocromatica THz per tarature); Elettra-SISSI: 5 Keuro (THz detector); Totale 47 Keuro (22% del totale)

Obiettivi del Progetto 1) Extraction of the coherent tehahertz radiation (THz) from the Free Electron Laser SPARC; ✔ 2) Optical characterization of the THz source; ✔ 3) Use of coherent THz radiation for measuring the longitudinal length of the electronic bunches of SPARC; ✔ 4) Use of coherent THz radiation for characterize exotic bunch structures; ✔ 5) Development of THz detectors; ✔ 6) Use of coherent THz radiation for pump-probe experiments; ✔ Acceleration section Ondulator Section THz Section Laser Esperimenti previsti a SPARC_LAB 1)SASE e SEDEED Free Electron Laser; 2)Laser-Plasma acceleration of electrons: Plasmonx; 3)Particle-Driven plasma acceleration: COMB; 4)Thomson radiation 5)Test on Ultra-short Ultra-Compressed beams (10 fs-10pC) Tutti basati su fasci ad alta brillanza e ultracorti IMPORTANZA DIAGNOSTICA DEL FASCIO

Coherent THz Radiation (CTR) Transition Radiation occurs when an electron crosses the boundary between two different media Intensity is 0 on axis and peaked at Q~1/g Polarization is radial

Highlights TERASPARC ELECTRONS BEAM SPLITTER ROOF MIRRORS PYRO-DETECTORS POLARIZING GRID ANALYZING GRID Martin-Pupplet Interferometer

Longitudinal Diagnostics Single bunch Electron beam parameters Energy (MeV)120 Charge (pC)300 RMS bunch length (ps) 1.4 Electron beam parameters Energy (MeV)120 Charge (pC)300 RMS bunch length (ps) 0.45

0.876 ps/mm  t = 160 fs Velocity Bunching ps/mm  t = ps Time

Source Figures of Merit

High-temperature superconducting (YBCO) detector, operating above the liquid Nitrogen temperature; Local nanostructuring with high energy heavy ions (HEHI) for reducing the critical temperature (controlled  T c ) and increasing the resistance versus temperature slope (  R/  T ); Sviluppo di detectors THz basati su HCTS Torino+LNS+Roma I  Tc = Control of T c  Tc = 2 K  R/  T Slope  R/  T > 5 kW/K Increased (higher sensitivity)

Device Layout sensor Nucl. Instrum. Methods B 272, 291 (2012) Three integrated devices: 1. one meander is uniformly irradiated – sensor (YBCO with reduced T c ) 2. reference meander (as- grown) for temperature reference - thermistor 3. non-dissipative current leads and voltage pads THz radiation

1. E. Chiadroni et al. APP. PHYS. LETT. 102, (2013); 2. E. Chiadroni et al., J. PHYS., 359, (2012); 3. E. Chiadroni et al., J. PHYS., 357, (2012); 4. S Lupi et al., J. PHYS., 359, (2012); 5. M. Gerbaldo et al, NUCL INSTRUM METH B, 272, (2012); 6. L. Gozzelino et al, NUCL INSTRUM METH B, 272, (2012); 7. G. Ghigo et al, SUPERCOND SCI TECH, 25-11, (2012); 8. M. Ferrario et al, NUCL INSTRUM METH A, 637, (2011); 9. B. Marchetti et al, Proceedings of the Second International Particle Accelerator Conference (2011); 10. E. Chiadroni et al, Proceedings of the Second International Particle Accelerator Conference (2011); 11. F. Laviano et al, J SUPERCOND NOV MAGN, 24, 1, (2011); 12. F. Laviano et al, IEEE T APPL SUPERCON, 21, (2011); 13. M. Ferrario et al., NUCL INSTRUM METH A 637, S43 (2011); 14. O. Limaj et al, OPTICS COMMUN., 284, 1690, (2011); Pubblicazioni

Tesi Dottorato O.Limaj, Investigation of Terahertz and Mid- Infrared Metamaterials, La Sapienza, Rome B. Marchetti, Development of a high tunable THz source at SPARC, Roma II

Presentazioni Congressi 1.Lupi L., Sincrotrone Soleil, 2010 INV 2.Chiadroni E., ANKA synchrotron 2010, INV 3.Chiadroni E., IPAC 2010, INV 4.Lupi S., IRMMW, 2010 INV 5.Laviano F., ESF-International Workshop on Mesos INV 6.Chiadroni E. IPAC 2011Poster 7.Chiadroni E. WIRMS 2011Oral 8.Limaj O. WIRMS 2011Oral 9.Lupi S. X INTERNATIONAL SCHOOL OF SYNCHROTR INV 10.Chiadroni E. XI International Symposium RREPS2011 INV 11.Laviano F. EUCAS-ISEC-ICMC Superconductivity C INV 12.Ghigo G. EUCAS-ISEC-ICMC Superconductivity C Oral 13.Gerbaldo R. EUCAS-ISEC-ICMC Superconductivity C Oral 14.Limaj O. METAMATERIALS 2011, Oral 15.Gozzelino L. Superconducting Electronics Front-e INV 16.Laviano F. III INTERNATIONAL CONFERENCE ON SUP INV 17.Chiadroni E. Workshop on Terahertz Sources 2012 Oral 18.Lupi S. Workshop on High-Field THz Science;2012 INV 19.Chiadroni E. Development of THz sources;2012 INV

Sviluppo Tecnologico 1.Results of special relevance for INFN and non-INFN activities: Beam diagnostic of ultra compressed electronic bunches for IV generation machines 1.Results of special relevance for other specific disciplines (Pump-Probe and Non-Linear experiments in condensed matter physics, Sapienza, CNR, Elettra) 2.Transferred Technology (Martin-Pupplet Interferometer  Elettra) 3.Impact for applied research and industrial applications (THz Imaging-->Finmeccanica)

Parere dei Referees L'esperimento TERASPARC è stato un esperimento di grande interesse nell'ambito delle attività connesse agli acceleratori.La conduzione dell'esperimento è stata determinata da parte dei proponenti nel cercare di rispettare i tempi e gli impegni assunti in fase di richiesta. La rilevanza dell'esperimento ha fatto si che sia i referee che la commissione 5 nella sua globalità hanno supportato nel miglior modo possibile le richieste dei proponenti.In questo senso l'allestimento della prima stazione di misura lungo la branch line di SPARC nel 2011 e la caratterizzazione della sorgente THz nel 2012 sono stati giudicati come elementi positivi e di testimonianza della capacità scientifica dell'esperimento.Tuttavia, nel 2012 le tempistiche relative alle milestones proposte ed approvate non sono state rispettate nella loro globalità. La ragione, individuata di comune accordo fra referee e proponenti, è consistita essenzialmente nella non disponibilità del fascio dall'acceleratore SPARC che non ha consentito di poter svolgere il programma di misure previsto.In conclusione, quindi, si esprime parere positivo sulle attività del gruppo di ricerca, ma si richiede una migliore interazione con il gruppo macchina di SPARC per far si che la disponibilità del fascio sia adeguata rispetto alle richieste che il gruppo, le cui attività sono migrate nel 2013 nell'esperimento SL_Femtotera (D. Giove)