Abstract Laser-driven compact particle accelerators can provide ultrashort pulses of broadband X-rays, well suited for undertaking X-ray absorption spectroscopy measurements on a femtosecond timescale. Here the Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) features of the K-edge of a copper sample have been observed over a 250 eV window in a single shot using a laser wakefield accelerator, providing information on both the electronic and ionic structure simultaneously. This capability will allow the investigation of ultrafast processes, and in particular, probing high-energy-density matter and physics far-from-equilibrium where the sample refresh rate is slow and shot number is limited. For example, states that replicate the tremendous pressures and temperatures of planetary bodies or the conditions inside nuclear fusion reactions. Using high-power lasers to pump these samples also has the advantage of being inherently synchronised to the laser-driven X-ray probe. A perspective on the additional strengths of a laboratory-based ultrafast X-ray absorption source is presented.

Abstract ST40 is a compact, high-field (B T0 ≤ 2.1T) spherical tokamak (ST) with a mission to expand the physics and technology basis for the ST route to commercial fusion. The ST40 research programme covers confinement and stability; solenoid-free start-up; high-performance operating scenarios; and plasma exhaust. In 2022, ST40 obtained a central deuterium ion temperatures of 9.6 ± 0.4 keV, demonstrating for the first time that pilot plant relevant ion temperatures can be reached in a compact, high-field ST. Analysis of these high-ion temperature plasmas is presented, including a summary of confinement, transport and microstability characteristics and energetic particle instabilities. Recent scenario development activities have focused on establishing diverted H-mode plasma discharges across a range of toroidal fields and plasma currents, along with scenarios with high non-inductive current fractions. In future operations, beginning in 2025, a 1MW dual frequency (104/137 GHz) electron cyclotron (EC) system will be installed to enable the study of EC and electron Bernstein wave plasma start-up and current drive. Predictive modelling of the potential performance of these systems is presented.

While plasma-based accelerators have the potential to positively impact a broad range of research topics, a route to application will only be possible through improved understanding of their stability. We present experimental results of a laser wakefield accelerator in the nonlinear regime in a helium gas jet target with a density transition produced by a razor blade in the flow. Modifications to the target setup are correlated with variations in the plasma density profile diagnosed via interferometry and the shot-to-shot variations of the density profile for nominally equal conditions are characterized. Through an in-depth sensitivity study using particle-in-cell simulations, the effects of changes in the plasma density profile on the accelerated electron beams are investigated. The results suggest that blade motion is more detrimental to stability than gas pressure fluctuations, and that early focusing of the laser may reduce the deleterious effects of such density fluctuations. Published by the American Physical Society 2024