INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Durante l’ultimo run sperimentale di accelerazione a plasma, i ricercatori del gruppo SPARC_LAB dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN hanno ottenuto gradienti acceleranti di oltre 1.2 GV/m in un capillare lungo 3 cm. L’esperimento è stato svolto presso la test-facility SPARC_LAB dove un foto-iniettore ad alta brillanza è seguito da uno stadio di accelerazione al plasma. Il risultato arriva in seguito al recente esperimento che ha permesso di dimostrare per la prima volta la possibilità di utilizzare un fascio di alta qualità accelerato da un’onda di plasma per generare radiazione coerente in un Free Electron Laser (FEL) nello spettro dell’infrarosso.
L’accelerazione mediante onde di plasma eccitate da un fascio di elettroni (driver) generato dal foto-iniettore di SPARC_LAB era già stata dimostrata nel 2020 con un guadagno di energia misurato del fascio da accelerare (witness) di circa 6 MeV in 3 cm corrispondenti ad un gradiente di 200 MV/m. Il nuovo dato sperimentale è stato ottenuto in seguito al commissioning del nuovo foto-iniettore di SPARC_LAB, iniziato con l’installazione di un nuovo cannone a RF nell’ambito del progetto SABINA, e di un nuovo punto di lavoro necessario per quintuplicare il gradiente accelerante del plasma precedentemente misurato. Per ottenere questo importante risultato è stata aumentata la carica dei fasci di elettroni in gioco, essendo il campo accelerante nel plasma fortemente dipendente dalla carica del driver. Si è quindi lavorato con un fascio cosi-detto COMB composto di un driver di 500 pC seguito da un witness di 50 pC con un ritardo di circa 1.5 ps.
Uno dei punti più critici ha riguardato la preparazione dei due pacchetti di elettroni a monte del plasma e l’iniezione nel plasma stesso, ottenuta con un tripletto di quadrupoli a magneti permanenti.
La sfida più ambiziosa è stata preparare i due fasci a monte del plasma e l’iniezione nel plasma stesso, ottenuto con un tripletto di quadrupoli a magneti permanenti. L’analisi dati è ancora in corso, ma il dato più interessante è certamente relativo alla misura dello spettro energetico, che presenta fasci accelerati di oltre 30 MeV. La Figura 1 riporta lo spettro del witness prima e dopo lo stadio di accelerazione al plasma per un ritardo di 1.5 ps tra i fasci. Si osserva un guadagno di energia di circa 35 MeV in 3 cm corrispondente ad un gradiente accelerante di 1.2 GV/m.
Il risultato ottenuto ha una valenza scientifica importante soprattutto perché è noto che il processo di accelerazione al plasma risulta più difficile con basse energie iniziali. Con questo run sperimentale si è dimostrato che è possibile misurare gradienti di oltre 1 GV/m nel plasma avendo a disposizione acceleratori relativamente compatti – entro i 15 metri come nel caso di SPARC_LAB – con fasci di energia iniziale al di sotto dei 100 MeV. A questo si unisce la rilevanza strategica in vista della prossima realizzazione ai LNF della struttura per utenti basata sul plasma, EuPRAXIA@SPARC_LAB, che prevede per un fascio di elettroni iniettato nel plasma a 500 MeV, il raggiungimento di un’energia finale di 1.1 GeV mediante l’impiego di una sezione al plasma capace di garantire un gradiente accelerante di 1.5 GV/m.
Al termine dell’esperimento è iniziata a SPARC_LAB una lunga fase di installazione che permetterà di continuare l’upgrade dell’acceleratore in vista di SABINA. Nel mentre, il team del gruppo SPARC_LAB proseguira con l’analisi del dati sperimentali e con gli studi numerici di dinamica del fascio utili per i futuri esperimenti.