We report results on the performance of a free-electron laser operating at a wavelength of 13.7 nm where unprecedented peak and average powers for a coherent extreme-ultraviolet radiation source have been measured. In the saturation regime, the peak energy approached 170 µJ for individual pulses, and the average energy per pulse reached 70 µJ. The pulse duration was in the region of 10 fs, and peak powers of 10 GW were achieved. At a pulse repetition frequency of 700 pulses per second, the average extreme-ultraviolet power reached 20 mW. The output beam also contained a significant contribution from odd harmonics of approximately 0.6% and 0.03% for the 3rd (4.6 nm) and the 5th (2.75 nm) harmonics, respectively. At 2.75 nm the 5th harmonic of the radiation reaches deep into the water window, a wavelength range that is crucially important for the investigation of biological samples.

Many scientific disciplines ranging from physics, chemistry and biology to material sciences, geophysics and medical diagnostics need a powerful X-ray source with pulse lengths in the femtosecond range [1-4]. This would allow, for example, time-resolved observation of chemical reactions with atomic resolution. Such radiation of extreme intensity, and tunable over a wide range of wavelengths, can be accomplished using high-gain free-electron lasers (FEL) [5-10]. Here we present results of the first successful operation of an FEL at a wavelength of 32 nm, with ultra-short pulses (25 fs FWHM), a peak power at the Gigawatt level, and a high degree of transverse and longitudinal coherence. The experimental data are in full agreement with theory. This is the shortest wavelength achieved with an FEL to date and an important milestone towards a user facility designed for wavelengths down to 6 nm. With a peak brilliance exceeding the state-of-the-art of synchrotron radiation sources [4] by seven orders of magnitude, this device opens a new field of experiments, and it paves the way towards sources with even shorter wavelengths, such as the Linac Coherent Light Source [3] at Stanford, USA, and the European X-ray Free Electron Laser Facility [4] in Hamburg, Germany.

Machine learning deals with creating algorithms capable of learning from the provided data. These systems have a wide range of applications and can also be a valuable tool for scientific research, which in recent years has been focused on finding new diagnostic techniques for particle accelerator beams. In this context, SPARC_LAB is a facility located at the Frascati National Laboratories of INFN, where the progress of beam diagnostics is one of the main developments of the entire project. With this in mind, we aim to present the design of two neural networks aimed at predicting the spot size of the electron beam of the plasma-based accelerator at SPARC_LAB, which powers an undulator for the generation of an X-ray free electron laser (XFEL). Data-driven algorithms use two different data preprocessing techniques, namely an autoencoder neural network and PCA. With both approaches, the predicted measurements can be obtained with an acceptable margin of error and most importantly without activating the accelerator, thus saving time, even compared to a simulator that can produce the same result but much more slowly. The goal is to lay the groundwork for creating a digital twin of linac and conducting virtualized diagnostics using an innovative approach.

We present a relativistic self-consistent theory of the coherent stopping power (CSP) of ultradense charged particle beams propagating in a dense matter. CSP corresponds to a collective inelastic collision which adds to the ordinary stopping power of individual particles. Unlike the latter, which depends only on the particles' energy, CSP depends upon many more parameters such as the total charge of the ensemble and its charge density and shape. This paves the way for a broad variety of novel methods to tailor particle absorption and penetration in a dense matter. CSP losses can be explained both by collective excitations of single or multiple molecules and by the emission of coherent Cherenkov radiation. Here we demonstrate that the former mechanism is more relevant than the latter. We find that the coherent energy absorption of subpicosecond particle bunches in water occurs exciting a broad Debye process in the GHz range and an intermolecular stretching vibration mode in the THz region. We generalize the Bethe-Bloch stopping power formula to coherent effects including self-forces, dielectric screening, and absorption by the dense matter. For the sake of a self-consistent dynamical theory including phase space evolution, we have also generalized the Fermi-Eyges theory of particle diffusion to the presence of forces. Nonlinear dynamics is demonstrated, inducing nonlinear dose release, beam self-focusing, and self-enhancement of coherent losses. Given the advent of ultraintense particle sources and their use for biomedical and other relevant applications, our results may be of paramount importance for contemporary and future developments of science and technology. Published by the American Physical Society 2024

The duration of incoherent XUV pulses down to the femtoseconds (fs) can be retrieved through a statistical analysis of the modulations on the observed radiation spectrum. Uncorrelated shot-noise fluctuations in the pulse temporal profile result in incoherent radiation showing a multispike spectrum where the spike width is inversely proportional to the pulse length. In this Letter, single-shot temporal characterization of the betatron radiation pulses emitted by fs-long, 100's MeV electron bunches undergoing acceleration, and propagating through a plasma wiggler was performed in the XUV domain. The retrieved pulse lengths agree with independent measurements performed in the THz spectral range and with theoretical predictions. locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon locked icon Physics Subject Headings (PhySH)Electromagnetic field calculationsPhotonicsSecondary beamsShot noiseElectron sourcesLow- & intermediate-energy acceleratorsMedical applications of acceleratorsParticle accelerator facilitiesPulsed-power acceleratorsSynchrotron radiation & free-electron lasersEnergy-dispersive x-ray spectroscopyPhoton counting