INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Nel campo degli acceleratori di particelle sta crescendo l’interesse per lo sviluppo di strutture acceleranti compatte in grado di superare gli attuali limiti di quelle convenzionali basate su impulsi RF. In questo contesto, l’attività di ricerca si sta orientando verso dispositivi basati sulla tecnologia del plasma in grado di produrre gradienti acceleranti dell’ordine delle decine di GV/m, da confrontarsi con le decine di MV/m raggiungibili mediante le tecniche tradizionali. Esperimenti recenti hanno inoltre dimostrato che tali strutture al plasma possono essere utilizzate anche per focalizzare fasci di particelle ad alta energia, chiamate lenti attive al plasma, in virtù degli elevati gradienti di campo magnetico prodotti, nella scala del kT/m, dalle intense correnti di ionizzazione del gas neutro. Il risultato che si ottiene è quello di focalizzare fasci ad alta energia su distanze di pochi centimetri, a differenza dei metri necessari con le tecniche convenzionali basate su magneti permanenti o elettromagneti.
L’uso combinato di tali elementi basati sul plasma, integrati in singoli moduli acceleranti, potrebbe rispondere alla richiesta di alti gradienti in strutture aventi dimensioni estremamente ridotte. E proprio in questo ambito possono essere considerati i risultati ottenuti negli esperimenti iniziati a luglio 2023 a SPARC_LAB nei Laboratori Nazionali di Frascati. Qui sono stati eseguiti i primi test di accelerazione con il modulo compatto interamente basato sul plasma mostrato in Fig.1. Tale dispositivo integra al suo interno due lenti attive, necessarie per ottimizzare le dimensioni trasverse del fascio all’ingresso della sezione accelerante e permetterne la sua cattura in uscita, e un elemento accelerante disposto in posizione centrale. La tecnica per la formazione del plasma si basa sull’uso di impulsi di alta tensione in grado di produrre la ionizzazione di una colonna di gas (azoto) creata tra due elettrodi mediante alcuni canali di iniezione verticali. Nel modulo collaudato è stato realizzato un unico canale di plasma avente 2 mm di diametro, dove ciascuno dei tre elementi, tutti di lunghezza 30 mm, è delimitato da una coppia di elettrodi.
Le differenti condizioni di plasma necessarie nelle tre sezioni, al fine di produrre in istanti diversi la focalizzazione e l’accelerazione dei pacchetti di elettroni aventi carica 200/50 pC (Driver/witness), possono essere separatamente controllate mediante il sincronismo e l’ampiezza degli impulsi di alta tensione usati per la formazione del plasma. A tal proposito, infatti, sono stati usati impulsi di corrente di circa 600 A per il plasma delle lenti e di circa 250 A per la sezione accelerante, impostato inoltre 14 µs in anticipo rispetto ai precedenti. Le misure eseguite dai ricercatori del gruppo SPARC_LAB hanno mostrano fasci stabili e accelerati con gradienti fino a circa 200 MV/m.
Tale modulo accelerante al plasma, interamente progettato nei laboratori Nazionali di Frascati, è basato sull’impiego di capillari a scarica e costituisce il primo prototipo di un dispositivo in grado di integrare l’uso di elementi focalizzanti e acceleranti realizzati in maniera compatta nella stessa struttura. Lo sviluppo del dispositivo si inserisce nel programma dell’attività di ricerca correlata alla realizzazione del progetto europeo EuPRAXIA, sostenuto attraverso un contributo finanziario del Ministero dell’Università e della Ricerca (MUR) e recentemente entrato nella roadmap di ESFRI, il forum strategico europeo per le infrastrutture di ricerca.
Gli ideatori Angelo Biagioni, Riccardo Pompili, Valerio Lollo, Donato Pellegrini e Massimo Ferrario, con il supporto dell’INFN, hanno depositato una proposta di brevetto del dispositivo collaudato.
