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Lenti speciali per acceleratori compatti

La tecnologia al plasma promette un’eccezionale riduzione in termini di dimensioni degli acceleratori utilizzati per applicazioni di ricerca, mediche e industriali, rendendo possibile lo sviluppo di macchine ultra-compatte accessibili a un’ampia comunità scientifica.

Il gruppo SPARC_LAB ha recentemente dimostrato che un dispositivo basato su una lente al plasma può essere utilizzato in un normale acceleratore per focalizzare un fascio di elettroni, riducendone le dimensioni a pochi micron.

Questo strumento, noto come lente attiva al plasma, funziona confinando di un gas neutro all’interno di una piccola struttura come un capillare. Il gas viene poi ionizzato in plasma da una scarica di corrente che scorre nel capillare stesso. Secondo la legge di Ampère, la scarica induce un campo magnetico azimutale la cui intensità è direttamente proporzionale alla corrente che fluisce. Come riferimento, una corrente di 100 A che scorre in un tubo di diametro pari a 100 μm è in grado di generare gradienti magnetici di 1 kT/m, approssimativamente un ordine di grandezza superiore rispetto ai quadrupoli attualmente disponibili in commercio.

Tale campo magnetico può quindi essere utilizzato per focalizzare fasci di particelle e sostituire i dispositivi convenzionali (come solenoidi e, appunto, quadrupoli) con strutture più compatte. Il team di SPARC_LAB ha sviluppato una lente attiva al plasma che consiste in un capillare lungo 3 cm con diametro del foro di 1 mm. Il plasma è prodotto ionizzando idrogeno gassoso tramite una scarica di 20kV. L’apparato sperimentale (vedi Figura 1) è stato istallato alla fine del linac di SPARC e nel 2016 sono iniziati i primi test. In quell’occasione si osservò perla prima volta una significativa degradazione dell’emittanza di fascio in seguito alla focalizzazione [1,2]. Tale effetto limitava le dimensioni minime del fascio a 24 μm.

Successivi test sperimentali e studi teorici hanno stabilito che un tale comportamento era principalmente dovuto alle disuniformità prodotte nel plasma se pilotato da correnti basse (~100 A). Per superare tale limite, la corrente è stata aumentata a 230 A grazie allo sviluppo di un nuovo circuito di scarica. Con il nuovo apparato, i dati acquisiti alla fine del 2017 hanno dimostrato il raggiungimento di una migliore focalizzazione (con spot minimi di 17 μm) e una emittanza completamente preservata [3].

Questi risultati rappresentano un passo fondamentale per lo sviluppo di ottiche di focalizzazione di nuova generazione e dimostrano la loro effettiva usabilità in vista di nuove infrastrutture compatte.

Figura 1 – Scarica al plasma prodotta in un tubo capillare di zaffiro lungo 3 cm. La luce emessa è dovuta alla ionizzazione dell’idrogeno gassoso confinato nel tubo capillare.

 

1. R. Pompili, et al., Applied Physics Letters 110, 104101 (2017)
2. A. Marocchino et al., Applied Physics Letters 111, 184101 (2017)
3. R. Pompili et al., Phys. Rev. Lett. 121, 174801 (2018)

Traduzione a cura di Camilla Paola Maglione, Ufficio Comunicazione INFN-LNF