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Revealing the dynamics of ultrarelativistic non-equilibrium many-electron systems with phase space tomography

Funkner, Stefan 1; Niehues, Gudrun 1; Nasse, Michael J. 1; Bründermann, Erik ORCID iD icon 1; Caselle, Michele 2; Kehrer, Benjamin 1; Rota, Lorenzo 2; Schönfeldt, Patrik 1; Schuh, Marcel ORCID iD icon 1; Steffen, Bernd; Steinmann, Johannes L. ORCID iD icon 1; Weber, Marc 2; Müller, Anke-Susanne ORCID iD icon 1
1 Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
2 Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Abstract:

The description of physical processes with many-particle systems is a key approach to the modeling of numerous physical systems. For example in storage rings, where ultrarelativistic particles are agglomerated in dense bunches, the modeling and measurement of their phase-space distribution is of paramount importance: at any time the phase-space distribution not only determines the complete space-time evolution but also provides fundamental performance characteristics for storage ring operation. Here, we demonstrate a non-destructive tomographic imaging technique for the 2D longitudinal phase-space distribution of ultrarelativistic electron bunches. For this purpose, we utilize a unique setup, which streams turn-by-turn near-field measurements of bunch profiles at MHz repetition rates. To demonstrate the feasibility of our method, we induce a non-equilibrium state and show that the phase-space distribution microstructuring as well as the phase-space distribution dynamics can be observed in great detail. Our approach offers a pathway to control ultrashort bunches and supports, as one example, the development of compact accelerators with low energy footprints.

Zugehörige Institution(en) am KIT Institut für Beschleunigerphysik und Technologie (IBPT)
Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE)
Publikationstyp Zeitschriftenaufsatz
Publikationsjahr 2023
Sprache Englisch
Identifikator ISSN: 2045-2322
KITopen-ID: 1000157223
HGF-Programm 54.11.11 (POF IV, LK 01) Accelerator Operation, Research and Development
Weitere HGF-Programme 54.12.03 (POF IV, LK 01) Science Systems
Erschienen in Scientific Reports
Verlag Nature Research
Band 13
Heft 1
Seiten Art.-Nr.: 4618
Bemerkung zur Veröffentlichung Gefördert durch den KIT-Publikationsfonds
Vorab online veröffentlicht am 21.03.2023
Nachgewiesen in Dimensions
Web of Science
OpenAlex
Scopus
Globale Ziele für nachhaltige Entwicklung Ziel 7 – Bezahlbare und saubere Energie

Verlagsausgabe §
DOI: 10.5445/IR/1000157223
Veröffentlicht am 24.03.2023
Originalveröffentlichung
DOI: 10.1038/s41598-023-31196-5
Scopus
Zitationen: 3
Web of Science
Zitationen: 1
Dimensions
Zitationen: 2
Seitenaufrufe: 165
seit 24.03.2023
Downloads: 94
seit 26.03.2023
Cover der Publikation
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