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Primi elettroni accelerati con plasma a SPARC_LAB

Figura 1: Capillare a scarica utilizzato durante l’esperimento montato nella camera di interazione di SPARC_LAB (foto: A. Biagioni)

I recenti test di accelerazione mediante onde di plasma eccitate da un fascio di elettroni (driver) di 350 pC generato dal foto-iniettore di SPARC_LAB hanno prodotto i primi significativi risultati.

Durante l’ultimo run è stata ottenuta l’accelerazione di un secondo fascio (witness) di 20 pC con un guadagno di energia di circa 6 MeV e una dispersione di energia di circa lo 0.2%. Il campo accelerante è prodotto dal plasma contenuto in un capillare lungo 3 cm e diametro 1 mm, mostrato in Figura 1. Il driver precede il witness di circa 1 picosecondo ed il plasma è prodotto ionizzando idrogeno tramite una scarica ad alta tensione.

La principale difficoltà in questa tipologia di esperimenti è rappresentata dalle dimensioni della “cavità accelerante” creata nel plasma. Considerando una densità di plasma di 2×1015 cm-3 (a cui corrisponde una lunghezza di plasma di circa 700 micron), la regione utile per l’accelerazione ha una lunghezza effettiva inferiore a 300 micron e un raggio di poche decine di micron. I fasci di elettroni devono quindi avere dimensioni ben al di sotto di questi valori. Per rendere l’idea della difficoltà, basti pensare che un capello umano ha un diametro di soli 100 micron.

Nel setup sperimentale di SPARC_LAB, i due fasci sono generati direttamente a partire dal catodo e poi compressi nella prima sezione accelerante. I fasci, con energia iniziale di 89.8 MeV, sono poi focalizzati nel capillare da un tripletto di quadrupoli a magneti permanenti. Il witness ha uno spread di energia relativo iniziale pari allo 0.2%.

Figura 2: fascio witness accelerato a SPARC_LAB. Immagine acquisita sulla targhetta a valle dello spettrometro magnetico. L’energia iniziale (senza plasma) è di 89.8 MeV. Accendendo il plasma, il witness guadagna 6 MeV lungo i 3 cm del capillare, arrivando a 95.8 MeV.

 

La Figura 2 mostra un esempio di witness accelerato dal plasma fino a 95.8 MeV. Il guadagno di energia complessivo è quindi di 6 MeV. Essendo il capillare lungo 3 cm, il gradiente accelerante che ne risulta è di circa 200 MV/m. L’obiettivo finale è arrivare alla soglia di 1 GV/m.

Due sono i problemi tipici di questa tecnica di accelerazione: la stabilità energetica e la qualità dei fasci accelerati in termini di dispersione di energia ed emittanza. L’obiettivo dell’esperimento in corso a SPARC_LAB è proprio quello di risolvere tali problematiche.

Figura 3: serie di 360 colpi consecutivi di spettri di energia relativi al fascio witness accelerato. La stabilità shot-to-shot è del 99.5%. Lo spread in energia medio è dello 0.2%.

 

La Figura 3 mostra una serie di spettri di energia misurati. La stabilità complessiva è del 99.5% per un’energia media di 95.7 MeV. Il dato più interessante è comunque relativo allo spread in energia che non viene degradato ma bensì conservato durante il processo di accelerazione.

Questo progresso è di fondamentale importanza perchè rende il fascio accelerato in linea di principio “utilizzabile” per applicazioni quali, ad esempio, i Free-Electron Lasers (FEL). Non appena sarà ripresa l’attività sperimentale, la campagna di misure continuerà includendo anche la misura di emittanza.

Vista anche la recente approvazione dei fondi destinati al progetto EuPRAXIA@SPARC_LAB, che prevede la costruzione a LNF di un nuovo acceleratore in grado di pilotare un FEL tramite fasci accelerati da un plasma, questi risultati rappresentano un’importante traguardo e una prima dimostrazione che è possibile controllare la qualità dei fasci prodotti da un acceleratore al plasma.