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Fasci di elettroni di alta qualità accelerati con il plasma a SPARC_LAB

Figura 1: Capillare a scarica utilizzato durante l’esperimento montato nella camera di interazione di SPARC_LAB.

Usando una tecnica innovativa, i ricercatori del gruppo SPARC_LAB hanno recentemente dimostrato l’accelerazione di un fascio di elettroni di alta qualità in un acceleratore al plasma. L’esperimento ha evidenziato, per la prima volta al mondo, la possibilità di ridurre lo spread di energia durante l’accelerazione.

Questo importante risultato, recentemente pubblicato dal gruppo sulla rivista Nature Physics [1], è stato ottenuto imprimendo al fascio un chirp di energia positivo (particelle di testa ad energia maggiore di quelle sulla coda) prima del suo ingresso nel plasma. Lo spread di energia indotto dal plasma viene cosi’ pre-compensato, rendendone  possibile una quasi totale riduzione all’uscita del modulo.

L’esperimento è stato realizzato con il foto-iniettore di SPARC_LAB, che ha generato e pre-accelerato due distinti pacchetti di elettroni, driver e witness. Utilizzando un capillare lungo 3 cm contenente Idrogeno ionizzato in plasma da una scarica ad alta tensione (Figura 1), campi acceleranti dell’ordine di 230 MV/m sono stati generati dal driver ed utilizzati per accelerare il witness. La Figura 2 mostra i due fasci in uscita dal plasma misurati attraverso uno spettrometro magnetico. Witness e driver avevano inizialmente la stessa energia di circa 89 MeV. La densità di plasma è stata portata a 2×1015 cm-3 durante l’esperimento. In questo modo, posizionando il witness circa 1 picosecondo dopo il driver è stato possibile sfruttare il campo accelerante prodotto nel plasma dal driver stesso.

Figura 2: Driver (sinistra) e witness (destra) dopo l’accelerazione in 3 cm di plasma. I due fasci partivano inizialmente con la stessa energia di circa 89 MeV.

La complessità dell’esperimento è notevole se si pensa alle dimensioni in gioco. I due fasci hanno dimensioni di poche decine di micron e devono essere posizionati nel plasma con precisioni dell’ordine del micron. Questo progresso nella realizzazione di fasci di alta qualità è di fondamentale importanza perché rende il fascio accelerato di fatto “utilizzabile” per applicazioni quali, ad esempio, i Free-Electron Lasers (FEL). Proprio per questo è tutt’ora in corso un esperimento pilota che mira ad iniettare il witness accelerato dal plasma in una serie di ondulatori installati a SPARC_LAB per ottenere l’emissione di radiazione FEL.

 

Il lavoro pubblicato descrive inoltre come lo stesso metodo possa essere applicato ad energie e contesti differenti, come la futura user-facility di EuPRAXIA@SPARC_LAB. Vista anche la recente approvazione dei fondi destinati a questo progetto, tali risultati rappresentano un’importante traguardo verso l’utilizzo dell’accelerazione al plasma per applicazioni dedicate ad utenti.

Referenze

  1. R. Pompili et al, “Energy spread minimization in a beam-driven plasma wakefield accelerator”, Nature Physics, https://www.nature.com/articles/s41567-020-01116-9